螺栓連接是結(jié)構(gòu)連接的一種主要方式，在CAE分析中經(jīng)常遇到，針對不同的情況，通常我們會(huì)采取不同的方法來處理。如果仿真的重點(diǎn)在于模擬螺栓，要求輸出螺栓的應(yīng)力、變形數(shù)據(jù)等，則將其創(chuàng)建為三維部件進(jìn)行精細(xì)建模；如果螺栓在仿真過程中是次要的，只起簡單的連接和緊固作用，則可以使用MPC約束和梁單元對螺栓進(jìn)行簡化建模。

作為一款功能強(qiáng)大的通用CAE軟件，ABAQUS處理普通螺栓連接的方式有三種：帶螺紋的實(shí)體螺栓、不帶螺紋的實(shí)體螺栓和MPC與梁單元組合的螺栓簡化模型。

1.帶螺紋的實(shí)體螺栓

對于帶螺紋的實(shí)體螺栓仿真，只需在ABAQUS中定義適當(dāng)?shù)慕佑|關(guān)系，選擇合適的摩擦系數(shù)即可，通常使用通用接觸即可滿足計(jì)算的要求。

采用這種實(shí)體螺栓的仿真計(jì)算，雖然得到的結(jié)果很精確，但卻大大增加了螺栓模型前處理的工作量(螺栓和螺紋均用六面體網(wǎng)格建模)，且計(jì)算量大，計(jì)算過程中接觸收斂困難。因此，在精度要求不高的情況下，不采用這種實(shí)體螺栓模型。

2.不帶螺紋的實(shí)體螺栓

為了簡化模型，提高計(jì)算的效率，可以創(chuàng)建不帶螺紋的實(shí)體螺栓模型。這種情況下，只需在ABAQUS的接觸定義中設(shè)置跟實(shí)際螺紋形狀有關(guān)聯(lián)的參數(shù)，如牙角、螺距、螺栓小徑等，即可以模擬真實(shí)的螺栓連接接觸狀況，得到足夠精確的結(jié)果，同時(shí)節(jié)省了分析的時(shí)間，提高分析效率。

若對結(jié)果的精度要求不高，或螺栓并不是分析的重點(diǎn)，則直接對不帶螺紋的實(shí)體螺栓進(jìn)行接觸關(guān)系設(shè)置即可滿足計(jì)算要求。

3.使用MPC約束和梁單元模擬螺栓

一般在螺栓只起連接和緊固作用，且不設(shè)置相應(yīng)輸出時(shí)使用這種模擬螺栓的方式。這種方式需要預(yù)先在Part功能模塊中創(chuàng)建一維(wire)部件，并為其設(shè)置相應(yīng)的梁單元截面屬性，之后才能在Interaction功能模塊中創(chuàng)建MPC約束，完成螺栓的模擬。

這種模擬方式下，MPC單元只在Interaction功能模塊中可見，但是其不影響計(jì)算的結(jié)果，且在后續(xù)的后處理模塊中可以打開一維單元顯示開關(guān)將其顯示出來。

A.帶螺紋的實(shí)體螺栓

直接按照實(shí)際情況做出來螺栓螺紋采用接觸分析，這樣得出的結(jié)果很精確，但是這樣前處理工作量大(螺栓和螺紋用六面體網(wǎng)格建模)、計(jì)算量大(接觸收斂困難)，如圖為某結(jié)構(gòu)帶螺紋螺栓和連接件模型(圖1)和計(jì)算得出的結(jié)果(圖2)：

▲圖1 某結(jié)構(gòu)帶螺紋螺栓和連接件模型

▲圖2 計(jì)算結(jié)果

B.不帶螺紋的實(shí)體螺栓

運(yùn)用大型通用非線性有限元分析軟件ABAQUS，只需要在接觸定義中設(shè)置跟實(shí)際螺紋形狀有關(guān)聯(lián)的參數(shù)，如牙角、螺距、螺栓小徑等，就可以模擬真實(shí)的連接螺栓接觸狀況。既可以得到足夠精確的分析結(jié)果，又節(jié)省了時(shí)間專注進(jìn)行其他的分析設(shè)置。如圖3，為連接螺栓接觸來定義帶螺紋螺栓：

▲圖3 連接螺栓接觸來定義帶螺紋螺栓

▲圖4某結(jié)構(gòu)直徑10MM的帶螺紋的連接螺栓接觸壓力分布云圖

C.一些需要考慮的部分

1、螺栓連接的簡化

由于螺紋處的應(yīng)力應(yīng)變不是關(guān)心的重點(diǎn)，因此，為簡化建模，避免收斂困難，在螺釘和螺孔內(nèi)表面之間建立綁定約束(tie)。這樣得到的模型會(huì)比實(shí)際結(jié)構(gòu)剛硬。

建立綁定約束的兩個(gè)面在整個(gè)分析過程中都會(huì)緊密連接在一起，不會(huì)分開，如同一個(gè)整體。

Tie綁定約束，Position Tolerance(位置誤差限度)設(shè)為Specifydistance:XXX.

含義：與主面距離小于此限度的從面節(jié)點(diǎn)都會(huì)受到綁定約束。對于在位置誤差限度內(nèi)的從面節(jié)點(diǎn)，ABAQUS將調(diào)整其初始坐標(biāo)，使其與主面的距離為0。注意不要將值設(shè)太大，以免由于調(diào)整從面節(jié)點(diǎn)位置，而造成較差的單元形狀。

2、預(yù)緊力的模擬

在ABAQUS中模擬螺釘預(yù)緊力的兩種方式：1、施加螺栓載荷(bolt load)；2、定義過盈接觸(contact interference)。

1、施加螺栓載荷(bolt load)

可以模擬螺釘?shù)念A(yù)緊力和各種均勻預(yù)應(yīng)力。定義螺栓載荷時(shí)，需要指定螺釘上的一個(gè)受力截面。施加螺栓載荷的方式三種：A、Apply force:指定預(yù)緊力。B、Adjust length:調(diào)整螺釘長度。C、Fix at current length:保持螺釘當(dāng)前長度。

注意：螺栓載荷為正值時(shí)表示使受力部件縮短；螺栓載荷為負(fù)值時(shí)表示受力部件伸長。

在做螺栓接觸分析時(shí)，可以設(shè)好幾個(gè)分析步，已達(dá)到平穩(wěn)接觸。在前幾步使用Apply force，在后幾步用Fix at current length。含義：在該分析步的開始，去除螺釘?shù)念A(yù)緊力，讓螺釘保持上一步結(jié)束時(shí)的長度。在該步分析結(jié)束后，如果有其他外載荷，螺釘長度會(huì)發(fā)生變化。

2、定義過盈接觸(contact interference)

過盈配合與載荷類似，無法在初始分析步中定義。

Gradually remove slave node overclosureduring the step(在分析步中逐漸去掉從面節(jié)點(diǎn)的過盈量)；Uniformallowable interference(允許的過盈量)，在Magnitudeallowable interference后面輸入一個(gè)微小的過盈量-0.0001(注意不要忽略負(fù)號，負(fù)號表示過盈量，正值表示間隙量)。

若使用ABAQUS默認(rèn)的幅值曲線Ramp，ABAQUS會(huì)在分析步開始施加全部的過盈量，然后使其逐漸減少，到分析步結(jié)束時(shí)過盈量將值0。這樣在后處理中會(huì)看到，在分析步結(jié)束時(shí)模型沒有過盈接觸，接觸面上的接觸壓強(qiáng)CPRESS為0，這樣的結(jié)果是不對的。因此，不能使用ABAQUS默認(rèn)的幅值曲Ramp。

3、接觸分析中不同單元性能的比較：

(1)線性減縮積分單元(C3D8R)和非協(xié)調(diào)單元(C3D8I)都適合于接觸分析，二者得到的位移結(jié)果很相近。使用C3D8R單元可以大大縮短計(jì)算時(shí)間，但得到的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果較差。

(2)如果接觸屬性為“硬”接觸，則不能使用六面體二次單元(C3D20和C3D20R),以及四面體二次單元(C3D10)，應(yīng)該盡量使用六面體一階單元。有時(shí)可用C3D8I單元(六面體非協(xié)調(diào)模式單元)。

若使用二次的，花費(fèi)時(shí)間多，會(huì)出現(xiàn)異常的CPRESS結(jié)果。

(3)使用修正的四面體二次單元(C3D10M),計(jì)算時(shí)間也大大增加。但如果模型的幾何形狀復(fù)雜，無法使用六面體單元網(wǎng)格，可以使用C3D10M單元進(jìn)行接觸分析。

(4)采用六面體線性完全積分單元(C3D8)或四面體線性單元(C3D4)得到的分析結(jié)果都很差，因此盡量不要在模型中使用這兩種單元。

4、結(jié)論

采用不同的單元類型進(jìn)行小滑移接觸分析，比較其結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

(1)線性減縮積分單元(C3D8R)和非協(xié)調(diào)單元(C3D8I)都適合與接觸分析，二者得到的位移結(jié)果很相近。使用C3D8R單元大大縮短計(jì)算時(shí)間，但得到的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果較差。

(2)如果接觸屬性為默認(rèn)的“硬接觸”(hardcontact)，則不能使用六面體二次單元(C3D20和C3D20R)，以及四面體二次單元(C3D10)。使用六面體二次減縮單元，會(huì)看到異常的 CPRESS結(jié)果，花費(fèi)的CPU時(shí)間為907s ,而使用C3D8R單元時(shí)，CPU時(shí)間為53s.

(3)使用修正的四面體二次單元(C3D10M)，計(jì)算時(shí)間也大大增加。但如果模型的幾何形狀復(fù)雜，無法使用六面體單元，可以使用C3D10M單元進(jìn)行接觸分析。

(4)采用六面體線性完全積分單元(C3D8)或四面體線性單元(C3D4)得到的分析結(jié)果都很差，因此盡量不要在模型中使用這兩種單元。

總結(jié)

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