基于CrachFEM材料模型的螺栓碰撞失效模拟

螺栓建模仿真

梁单元螺栓模拟

螺栓是机械行业最为广泛的连接方式，常用的螺栓模拟方式一般采用刚性RBE2单元直接抓螺栓孔，这种螺栓模拟方式最为简单，此时螺栓在仿真模型中只用于传力，无法提取螺栓力，也无法考虑螺栓预紧力。并且使用刚性RBE2单元连接会增加螺栓连接区域刚度，因此螺栓周围应力不准确。

若不考虑螺栓失效，只考虑螺栓与螺栓孔之间的接触关系，本文利用Beam单元模拟螺栓直径，外圈利用nullshell单元作为与螺栓孔的接触媒介，Beam单元与nullshell采用Rigid连接，nullshell单元节点与螺栓孔边缘节点一一对应，避免后期因受压变形导致接触不稳，上下螺帽利用Solid(以本身的螺帽直径为准建模)至少两层单元模拟，可将螺帽赋予刚性材料，利用dyna关键字*Extra_nodes进行刚性连接，上下螺帽要与接触面贴合，避免出现滑移现象，这种建模方式更好的模拟出实际螺栓与周围零件的接触传力。

Beam单元类型使用9号单元，材料使用100号焊点材料，Beam+nullshell单元通过CNRD刚性连接，由于nullshell和CNRB因素，不建议定义Beam单元的失效判据。螺栓的模拟过程中，往往需要通过在增加螺栓预紧来模拟螺栓锁紧状态，利用dyna关键字*INITIAL_AXIAL_FORCE_BEAM进行预紧力加载。

螺栓力学实验

本文以10.9级M14螺栓为研究对象，首先开展准静态拉伸试验来获取螺栓材料的弹塑性性能，并通过
静态拉拔，双面剪切，45度剪切来描述螺栓整车碰撞过程中的典型受力行为以及螺栓有无预紧力对不同受力工况的影响。

由工程应力应变曲线得到10.9级螺栓的单轴拉伸屈服强度和抗拉强度分别为1010Mpa和1095Mpa断裂延伸率约8.9%，符合10.9级螺栓规范。

下图展示了三组螺栓试验的工装示意图，螺栓断裂形态图，以及峰值载荷和断裂位移统计表。发现拉拔试验主要以正向拉拔受力为主，断面较为粗糙，并且存在明显的颈缩厚度减薄。而双剪和45度剪切主要以剪切受力为主，断面相对较为光滑。其中螺栓剪切力值为双剪力值（约190KN），螺栓单剪切失效力值为双剪切力值一半，约拉拔峰值力（147KN）的0.65倍，符合10.9级M14螺栓标准。其中有无预紧力对断裂峰值力不敏感，双剪切工况的峰值力波动在5%以内，可以忽略预紧力对螺栓自身强度和断裂失效的影响。

精细实体螺栓仿真建模

在 LS-DYNA 软件中分别建立螺栓拉拔、双剪和拉剪试验的有限元数值模型，如下图所示。螺栓采用六面体网格划分，单元平均尺寸为0.3mm，对于剪切和45度剪切试验由于螺栓应力集中位置可以提前判断，因此可以进行多尺度网格划分，在螺栓主要受剪的位置进行0.3mm网格划分，其他区域可选择较大尺寸进行划分来提高计算效率。由于网格尺寸足够精细，实体单元类型选择1号单点积分即可。实体螺栓预紧力设置通过*INITIAL_STRESS_SECTION加载截面预紧力。螺栓与工装之间的接触使用自动面-面接触即可。

下图展示了三种工况下仿真与试验的力位移曲线对比，仿真力-位移曲线与试验逼近，峰值力值误差小于2%，断裂位移误差小于3%。拉拔试验受拉颈缩后断裂，剪切和45度拉剪失效形式也和试验接近。通过0.3mm六面体建模能够准确的模拟出螺栓在不同受力情况下的弹塑性变形以及断裂失效情况。

简化实体模型

虽然0.3mm实体螺栓建模能较好的模拟出螺栓的失效情况，但是由于时间步较小，不适合实际整车的模型应用。为兼顾整车仿真应用，需对网格进行粗化，开展了3mm网格螺栓建模研究。建模规范如下：

考虑单元尺寸的敏感性，3mm网格的在相同失效曲线下的韧性要远好于0.3mm网格，因此需对用0.3mm网格尺寸开发的CrachFEM卡片的韧性曲线进行缩放，经过多轮迭代验算，基本确定3mm单元剪切失效曲线为0.3mm单元对应剪切失效曲线的1/4，如下图。

下图展示三种受力工况下，3mm网格螺栓仿真-试验对标结果，可以看出：

总结

综上所述，本文主要介绍了三种螺栓建模方式：beam+nullshell建模，0.3mm精细化实体网格建模，3mm简化实体网格建模。