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在螺紋聯(lián)接中，對于單個標準螺紋緊固件的選型設計以及規(guī)則布置且受力（矩）對稱的螺栓組設計，其選型和計算都有明確的規(guī)則，設計方法較為成熟。但由于結構限制，對于某些場合所選用的非標準螺紋緊固件的設計、或者對于受力復雜且非對稱分布的螺栓組中螺栓的設計，缺乏有效的計算規(guī)則。實際應用中，由于設計不合理導致連接失效而造成重大損失的事故屢有報道。有限元分析技術的發(fā)展，使復雜結構的應力計算成為可能，其分析結果真實可靠，成為工程分析的重要手段之一。
在螺栓聯(lián)接方面，傅駿等人對螺栓的不同材質進行研究分析，歸正等人對高強度螺栓使用中的長度進行了研究，趙曼等人研究了如何提高螺栓抗拉疲勞性能，李波等人對螺紋三維模型的有限元分析進行了探索。這些研究為探索螺栓聯(lián)接提供了很好的思路，但傳統(tǒng)的設計方法需要大量的實驗作為依據(jù)，并且很多規(guī)律都是概括性的總結，對于螺栓螺紋牙各部位應力、螺栓內部應力等情況分析較少。有限元技術的發(fā)展為定量分析螺紋內部應力提供了條件。在通常的有限元分析中，一般采用的方法是將螺栓簡化為軸對稱，建立二維有限元模型進行分析，即使是建立三維模型也是忽略了螺紋的細節(jié)部分，在一些特殊的分析情況下，這樣會大大降低分析的精度。本文基于ANSYS workbench模塊，結合傳統(tǒng)設計方法，通過三維有限元分析方法研究了螺栓結構、旋合長度以及預緊力對螺栓強度的影響，并應用于工程實例分析中。
本文將某型號自動扶梯驅動機座所采用的非標準螺栓作為分析對象，經現(xiàn)場考察，該螺栓頭采用盲孔攻絲結構的非標準設計，與螺桿形成可拆式聯(lián)結，如圖。螺紋采用8.8級M20標準粗牙螺紋，其Ｔ形頭幾何尺寸為：23mm×64mm×15mm，盲孔底部為平面結構，懸合深度為12mm。
對非標結構螺栓頭部分的靜強度加以分析，作為對比，給出了國標T形頭螺栓和另一種改進型螺栓。一般而言，螺栓聯(lián)接的分析重點主要集中在螺紋聯(lián)接處，懸合部位螺桿相對于螺母更薄弱，因此必須充分保證分析中螺紋接觸處的真實準確性。為此，通過在Pro/E中進行精確的三維建模，保證模型符合實際情況。三種螺栓的螺紋均為M20標準粗牙螺紋，除了螺栓T形頭的結構，其他結構參數(shù)均相同。第一種為分體結構螺栓頭，采用盲孔攻絲設計，與螺桿形成可拆式聯(lián)結；第二種為國家標準T形頭螺栓（GB/T37）；第三種是整體鍛造型結構，螺栓頭與螺桿采用一體式設計。其中第一、三種的建模數(shù)據(jù)均取自實物測繪，第二種三維模型的數(shù)據(jù)取自設計手冊。
設定三種螺栓的工作環(huán)境相同：螺栓擰緊在兩塊板上，其中下板厚度14.5mm，下底板為24mm，其中兩塊板都開有一個寬度為22mm的長方型槽。按照上述參數(shù)在Pro/E中完成各模型并裝配后以“*.IGS”格式導入到ANSYS workbench模塊。
有限元分析設置如下：（1）材料屬性設置：這里三種螺栓的彈性模量、泊松比、密度等都采用45號鋼的參數(shù)，底板采用16Mn的參數(shù)；（2）網(wǎng)格劃分：盡量對比較規(guī)則的零件采用了六面體網(wǎng)格劃分，對于螺紋、螺桿、螺母等則采用四面體網(wǎng)格；（3）邊界條件：約束下底板的四個側面，載荷為螺栓預緊力。通過使用模塊自帶的BoltPretension（預緊力）模塊可直接施加預緊力，從而直觀反映螺栓聯(lián)接的應力狀況。
螺栓聯(lián)接是通過預緊而產生接觸面的摩擦力來承受各種工作載荷（如軸向載荷、橫向載荷和傾覆力矩等），螺栓本身主要承受軸向載荷。對于非標準結構的螺栓，應研究其結構設計的合理性，考察不同結構對其承載能力的影響。應用前述有限元模型，對三種結構螺栓聯(lián)結組件施加相同的預緊力，大小為32589N（計算得出的螺栓組最小預緊力）。在設置完以上各步驟后進行后處理求解，可以得到三種不同結構螺栓的應力云圖。
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