螺栓連接是廣泛使用的緊固部件的方法，螺栓連接的設(shè)計(jì)是保持結(jié)構(gòu)完整性的重要因素之一。在航空航天領(lǐng)域，有許多組件需要用螺栓連接，特別是連接機(jī)身和主翼的連接件的螺栓結(jié)構(gòu)需要非常精細(xì)的設(shè)計(jì)。一般來說，當(dāng)擰緊螺栓時(shí)，應(yīng)用適當(dāng)?shù)呐ぞ貋斫o予預(yù)緊力。有多種方法可以將這種預(yù)緊力應(yīng)用到分析中。在本文中，我們介紹ABAQUS中提供的“Bolt-Load”功能來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的施加。

一般來說，螺栓結(jié)構(gòu)暴露在各種載荷條件下。例如:剪切荷載、彎曲荷載、拉伸荷載、扭轉(zhuǎn)荷載以及這些荷載的組合。在此分析中，將應(yīng)用于有預(yù)緊力和無預(yù)緊力的螺栓結(jié)構(gòu)的拉伸進(jìn)行分析和比較。建立該練習(xí)模型是為了了解螺栓緊固結(jié)構(gòu)的模型以及如何施加預(yù)緊力。下面按照一般 Abaqus/CAE 建模仿真步驟進(jìn)行：

1.幾何建模（part）：

螺栓緊固模型是一個(gè)由三個(gè)組件組成的組件:支架，法蘭和螺栓。

在螺栓模型中，為了施加螺栓預(yù)緊力，必須對(duì)螺栓桿的中間部分進(jìn)行分區(qū)，并創(chuàng)建中心軸，如圖所示。

2.賦予材料參數(shù)（property）：

創(chuàng)建材料和截面屬性并賦予：鋁(法蘭和支架)和不銹鋼(螺栓)

3.裝配（Assembly）：

4.分析步(step)

分析包括兩個(gè)step。step1對(duì)螺栓施加預(yù)拉力，step2對(duì)模型添加拉伸載荷。

5.相互作用（Interaction）

首先定義接觸屬性：

Interaction → Property → Create → Contact | Mechanical | Tangential Behavior = Penalty(Coeff 0.3) → Normal Behavior = “Hard” contact

使用“發(fā)現(xiàn)接觸對(duì)（Find Contact Pairs）”功能來自動(dòng)識(shí)別接觸的表面，并應(yīng)用到所有的面：

Interaction → Find Contact Pairs → OK

通過設(shè)置凸耳表面的中心點(diǎn)作為參考點(diǎn)來創(chuàng)建MPC約束，以便施加拉伸載荷：

Constraint → Create → MPC Constraint → Select control point and slave node surface

6.網(wǎng)格劃分

所有部件均使用自由網(wǎng)格劃分方式。

7.載荷與邊界條件（Loading and Boundary Condition）

在step1中，給螺栓施加25kN的預(yù)拉力。鋼系緊固件的預(yù)拉力一般設(shè)定為材料屈服強(qiáng)度的75%~80%。在step2中，120kN的拉伸載荷被施加在螺栓上。

另外給法蘭底面添加位移約束，選擇U1 = U2 = U3 = 0，如下圖所示。

以上步驟建立了帶預(yù)緊力的螺栓連接模型。可以通過從模型樹中復(fù)制創(chuàng)建的模型來創(chuàng)建一個(gè)新模型。在這個(gè)模型中，在Load管理器將施加在螺栓上預(yù)緊力關(guān)閉。

8.Result（結(jié)果分析）

提交計(jì)算帶預(yù)緊力和無預(yù)緊力的模型，并比較結(jié)果。下圖是第一步的接觸壓力(CPRESS)的比較。如圖所示，使用預(yù)張力模型的螺栓孔周圍的接觸壓力為44 MPa，無預(yù)緊力模型的接觸應(yīng)力較小。從von-mises應(yīng)力分布可以看出，在最后階段微觀應(yīng)力大小有所不同，但宏觀水平差異不大。

 

Contact pressure

Von-mises stress

為反映預(yù)緊力的作用，讓我們比較Von-mises stress在螺栓上的最大值：

§Create XY data → ODB Field output → Position = Element Nodal, Variables=Stress |Mises → Elements/Nodes tab | select highest stress node

The highest stressed element

下圖為von-mises應(yīng)力變化曲線。從靜力強(qiáng)度的角度來看，兩種模型的最大應(yīng)力沒有顯著差異，且兩種模型的最大應(yīng)力出現(xiàn)位置相似。

但是，在疲勞方面是有區(qū)別的。根據(jù)疲勞理論，應(yīng)力應(yīng)變振幅越大，疲勞壽命越短。即無預(yù)緊力的模型中，螺栓疲勞壽命較短。

通過這個(gè)實(shí)例，我們通過分析給螺栓連接模型施加預(yù)緊力來檢驗(yàn)預(yù)緊力的影響。螺栓等緊固件的預(yù)緊可以防止螺栓在振動(dòng)工況下松動(dòng)，即使在沖擊等動(dòng)態(tài)環(huán)境中也可以提高相對(duì)穩(wěn)定性。

本案例的視頻版教程(step by step)：螺栓預(yù)緊力-ABAQUS (包括三節(jié)視頻，可供練習(xí)的幾何模型）。

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