ABAQUS螺栓接触分析

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螺栓连接是结构连接的一种主要方式，在CAE分析中经常遇到，针对不同的情况，通常我们会采取不同的方法来处理。如果仿真的重点在于模拟螺栓，要求输出螺栓的应力、变形数据等，则将其创建为三维部件进行精细建模；如果螺栓在仿真过程中是次要的，只起简单的连接和紧固作用，则可以使用MPC约束和梁单元对螺栓进行简化建模。

作为一款功能强大的通用CAE软件，ABAQUS处理普通螺栓连接的方式有三种：带螺纹的实体螺栓、不带螺纹的实体螺栓和MPC与梁单元组合的螺栓简化模型。

1. 带螺纹的实体螺栓

对于带螺纹的实体螺栓仿真，只需在ABAQUS中定义适当的接触关系，选择合适的摩擦系数即可，通常使用通用接触即可满足计算的要求。

采用这种实体螺栓的仿真计算，虽然得到的结果很精确，但却大大增加了螺栓模型前处理的工作量(螺栓和螺纹均用六面体网格建模)，且计算量大，计算过程中接触收敛困难。因此，在精度要求不高的情况下，不采用这种实体螺栓模型。

2. 不带螺纹的实体螺栓

为了简化模型，提高计算的效率，可以创建不带螺纹的实体螺栓模型。这种情况下，只需在ABAQUS的接触定义中设置跟实际螺纹形状有关联的参数，如牙角、螺距、螺栓小径等，即可以模拟真实的螺栓连接接触状况，得到足够精确的结果，同时节省了分析的时间，提高分析效率。

若对结果的精度要求不高，或螺栓并不是分析的重点，则直接对不带螺纹的实体螺栓进行接触关系设置即可满足计算要求。

3. 使用MPC约束和梁单元模拟螺栓

一般在螺栓只起连接和紧固作用，且不设置相应输出时使用这种模拟螺栓的方式。这种方式需要预先在Part功能模块中创建一维(wire)部件，并为其设置相应的梁单元截面属性，之后才能在Interaction功能模块中创建MPC约束，完成螺栓的模拟。

这种模拟方式下，MPC单元只在Interaction功能模块中可见，但是其不影响计算的结果，且在后续的后处理模块中可以打开一维单元显示开关将其显示出来。

A. 带螺纹的实体螺栓

直接按照实际情况做出来螺栓螺纹采用接触分析，这样得出的结果很精确，但是这样前处理工作量大(螺栓和螺纹用六面体网格建模)、计算量大(接触收敛困难)，如图为某结构带螺纹螺栓和连接件模型(图1)和计算得出的结果(图2)：

图1 某结构带螺纹螺栓和连接件模型

图2 计算结果

B. 不带螺纹的实体螺栓

运用大型通用非线性有限元分析软件ABAQUS，只需要在接触定义中设置跟实际螺纹形状有关联的参数，如牙角、螺距、螺栓小径等，就可以模拟真实的连接螺栓接触状况。既可以得到足够精确的分析结果，又节省了时间专注进行其他的分析设置。如图3，为连接螺栓接触来定义带螺纹螺栓：

图3 连接螺栓接触来定义带螺纹螺栓

图4某结构直径10MM的带螺纹的连接螺栓接触压力分布云图

C. 一些需要考虑的部分

1、螺栓连接的简化

由于螺纹处的应力应变不是关心的重点，因此，为简化建模，避免收敛困难，在螺钉和螺孔内表面之间建立绑定约束(tie)。这样得到的模型会比实际结构刚硬。

建立绑定约束的两个面在整个分析过程中都会紧密连接在一起，不会分开，如同一个整体。

Tie绑定约束，Position Tolerance(位置误差限度)设为Specifydistance:XXX.

含义：与主面距离小于此限度的从面节点都会受到绑定约束。对于在位置误差限度内的从面节点，ABAQUS将调整其初始坐标，使其与主面的距离为0。注意不要将值设太大，以免由于调整从面节点位置，而造成较差的单元形状。

2、预紧力的模拟

在ABAQUS中模拟螺钉预紧力的两种方式：1、施加螺栓载荷(bolt load)；2、定义过盈接触(contact interference)。

1、施加螺栓载荷(bolt load)

可以模拟螺钉的预紧力和各种均匀预应力。定义螺栓载荷时，需要指定螺钉上的一个受力截面。施加螺栓载荷的方式三种：A、Apply force:指定预紧力。B、Adjust length:调整螺钉长度。C、Fix at current length:保持螺钉当前长度。

注意：螺栓载荷为正值时表示使受力部件缩短；螺栓载荷为负值时表示受力部件伸长。

在做螺栓接触分析时，可以设好几个分析步，已达到平稳接触。在前几步使用Apply force，在后几步用Fix at current length。含义：在该分析步的开始，去除螺钉的预紧力，让螺钉保持上一步结束时的长度。在该步分析结束后，如果有其他外载荷，螺钉长度会发生变化。

2、定义过盈接触(contact interference)

过盈配合与载荷类似，无法在初始分析步中定义。

Gradually remove slave node overclosureduring the step(在分析步中逐渐去掉从面节点的过盈量)；Uniformallowable interference(允许的过盈量)，在Magnitudeallowable interference后面输入一个微小的过盈量-0.0001(注意不要忽略负号，负号表示过盈量，正值表示间隙量)。

若使用ABAQUS默认的幅值曲线Ramp，ABAQUS会在分析步开始施加全部的过盈量，然后使其逐渐减少，到分析步结束时过盈量将值0。这样在后处理中会看到，在分析步结束时模型没有过盈接触，接触面上的接触压强CPRESS为0，这样的结果是不对的。因此，不能使用ABAQUS默认的幅值曲Ramp。

3、接触分析中不同单元性能的比较：

(1)线性减缩积分单元(C3D8R)和非协调单元(C3D8I)都适合于接触分析，二者得到的位移结果很相近。使用C3D8R单元可以大大缩短计算时间，但得到的节点应力结果较差。

(2)如果接触属性为“硬”接触，则不能使用六面体二次单元(C3D20和C3D20R),以及四面体二次单元(C3D10)，应该尽量使用六面体一阶单元。有时可用C3D8I单元(六面体非协调模式单元)。

若使用二次的，花费时间多，会出现异常的CPRESS结果。

(3)使用修正的四面体二次单元(C3D10M),计算时间也大大增加。但如果模型的几何形状复杂，无法使用六面体单元网格，可以使用C3D10M单元进行接触分析。

(4)采用六面体线性完全积分单元(C3D8)或四面体线性单元(C3D4)得到的分析结果都很差，因此尽量不要在模型中使用这两种单元。

4、结论

采用不同的单元类型进行小滑移接触分析，比较其结果，可以得出以下结论。

(1) 线性减缩积分单元(C3D8R)和非协调单元(C3D8I)都适合与接触分析，二者得到的位移结果很相近。使用C3D8R单元大大缩短计算时间，但得到的节点应力结果较差。

(2) 如果接触属性为默认的“硬接触”(hardcontact)，则不能使用六面体二次单元(C3D20和C3D20R)，以及四面体二次单元(C3D10)。使用六面体二次减缩单元，会看到异常的 CPRESS结果，花费的CPU时间为907s ,而使用C3D8R单元时，CPU时间为53s.

(3) 使用修正的四面体二次单元(C3D10M)，计算时间也大大增加。但如果模型的几何形状复杂，无法使用六面体单元，可以使用C3D10M单元进行接触分析。

(4) 采用六面体线性完全积分单元(C3D8)或四面体线性单元(C3D4)得到的分析结果都很差，因此尽量不要在模型中使用这两种单元。

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来源：CAE之家

ACT Abaqus 非线性通用螺栓

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首次发布时间：2024-08-25

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