ABAQUS螺栓接触分析
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。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。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。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。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)：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4某结构直径10MM的带螺纹的连接螺栓接触压力分布云图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。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)。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)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。(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。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。【免责声明】本文来自CAE技术交流，版权归原作者所有，仅用于学习等，对文中观点判断均保持中立，若您认为文中来源标注与事实不符，若有涉及版权等请告知，将及时修订删除，谢谢大家的关注
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首次发布时间：2024-08-25
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硕士
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CAE仿真负责人
个人著作《汽车NVH一本通》
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