Abaqus利用梁单元模拟螺栓连接(预紧力）

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。螺栓的模拟在Abaqus也有几种不同的处理方式。

（1）建立三维实体的螺栓模型，包括螺纹结构；

（2）建立三维实体的螺栓模型，忽略螺纹结构；

（3）建立三维实体的螺栓模型，由Abaqus自带的螺纹接触定义方式设置螺纹接触；

（4）利用梁单元或者杆单元模拟螺栓。

本次以梁单元模拟螺栓为例，简单阐述其应用。利用梁单元模拟螺栓与实体螺栓相比优势比较明显，模型简单、接触定义简单、收敛容易，同时梁单元也能有效反应螺栓的受力情况，在很多情况下比较适用。

螺栓的模拟通常需要考虑预紧力的作用，利用CAE方法模拟螺栓预紧力的过程主要由三个载荷步完成，下面的例子会涉及。

建立如下所示的模型，三个部件，两块板和一根梁，其中梁是一个3D wire，建立一条线即可。

 

               图1

材料属性定义的时候，梁单元需要指定梁截面，如下图所示。

图2

梁的截面形状可以根据需要指定，本次为圆形截面，半径为10，如下图所示。

图3

同时，梁单元还需要指定方向，通过菜单栏Assign-Beam Section Orientation，给出其中的n1向量，这里注意，梁的轴向是由向量t表示的，n1和n2两个向量决定梁截面，其中t向量和n1、n2两个向量决定的平面垂直。

本次定义n1向量为0,0,-1，最终梁的方向定义完成如下所示。

图4

之后利用Interaction模块下面的Constraint将梁与相关位置建立MPC连接，如下所示。

图5

梁单元的两端节点分别与螺栓螺帽位置处的节点进行MPC连接，连接形式可以由多种，这里选择Beam连接。

定义多个载荷步，其中前三个载荷步用于施加螺栓预紧力。定义方式是在Creat Load下面的Bolt Load（螺栓载荷），选择梁单元后确认方向（这里方向的影响不大）

载荷步1：施加10N的预紧力；

载荷步2：施加50KN的预紧力；

载荷步3：将预紧力的形式改为Fix at current length，如下图所示。

后面的载荷步则可以正常施加其他载荷。

图6

本次实例加完载荷计算后得到的应力结果如下所示：

图7

可以通过主菜单View-ODB Display Option下面的Render Beam Profile开关，显示真实的螺栓形状，打开之后如图所示。

图8

本次施加的是拉力载荷，因此螺栓主要承受的是拉力，其应力水平最高。

 

主要流程和关键地方进行了一些阐述，具体在复杂问题的应用则可以在基本流程和方法的基础上有其他的变化或更多设置等，有待大家自己摸索。