ABAQUS螺栓
關注創建者：學有所長 創建時間：2023-03-21
ABAQUS螺栓的視頻教程
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ABAQUS螺栓的實例教程
來源：仿真學習與應用
螺栓連接是結構連接的一種主要方式，在CAE分析中經常遇到，針對不同的情況，通常我們會采取不同的方法來處理。螺栓的模擬在Abaqus也有幾種不同的處理方式。
（1）建立三維實體的螺栓模型，包括螺紋結構；
（2）建立三維實體的螺栓模型，忽略螺紋結構；
（3）建立三維實體的螺栓模型，由Abaqus自帶的螺紋接觸定義方式設置螺紋接觸；
（4）利用梁單元或者桿單元模擬螺栓。
本次以梁單元模擬螺栓為例，簡單闡述其應用。利用梁單元模擬螺栓與實體螺栓相比優勢比較明顯，模型簡單、接觸定義簡單、收斂容易，同時梁單元也能有效反應螺栓的受力情況，在很多情況下比較適用。
螺栓的模擬通常需要考慮預緊力的作用，利用CAE方法模擬螺栓預緊力的過程主要由三個載荷步完成，下面的例子會涉及。
建立如下所示的模型，三個部件，兩塊板和一根梁，其中梁是一個3D wire，建立一條線即可。
圖1
材料屬性定義的時候，梁單元需要指定梁截面，如下圖所示。
圖2
梁的截面形狀可以根據需要指定，本次為圓形截面，半徑為10，如下圖所示。
圖3
同時，梁單元還需要指定方向，通過菜單欄Assign-Beam Section Orientation，給出其中的n1向量，這里注意，梁的軸向是由向量t表示的，n1和n2兩個向量決定梁截面，其中t向量和n1、n2兩個向量決定的平面垂直。
本次定義n1向量為0,0,-1，最終梁的方向定義完成如下所示。
圖4
之后利用Interaction模塊下面的Constraint將梁與相關位置建立MPC連接，如下所示。
圖5
梁單元的兩端節點分別與螺栓螺帽位置處的節點進行MPC連接，連接形式可以由多種，這里選擇Beam連接。
展開 1.概述
螺栓連接是結構連接的一種主要方式，在CAE分析中經常遇到，針對不同的情況，通常我們會采取不同的方法來處理。如果仿真的重點在于模擬螺栓，要求輸出螺栓的應力、變形數據等，則將其創建為三維部件進行精細建模；如果螺栓在仿真過程中是次要的，只起簡單的連接和緊固作用，則可以使用MPC約束和梁單元對螺栓進行簡化建模。
作為一款功能強大的通用CAE軟件，ABAQUS處理普通螺栓連接的方式有三種：帶螺紋的實體螺栓、不帶螺紋的實體螺栓和MPC與梁單元組合的螺栓簡化模型。
2.帶螺紋的實體螺栓
對于帶螺紋的實體螺栓仿真，只需在ABAQUS中定義適當的接觸關系，選擇合適的摩擦系數即可，通常使用通用接觸即可滿足計算的要求。
采用這種實體螺栓的仿真計算，雖然得到的結果很精確，但卻大大增加了螺栓模型前處理的工作量（螺栓和螺紋均用六面體網格建模），且計算量大，計算過程中接觸收斂困難。因此，在精度要求不高的情況下，不采用這種實體螺栓模型。
3.不帶螺紋的實體螺栓
為了簡化模型，提高計算的效率，可以創建不帶螺紋的實體螺栓模型。這種情況下，只需在ABAQUS的接觸定義中設置跟實際螺紋形狀有關聯的參數，如牙角、螺距、螺栓小徑等，即可以模擬真實的螺栓連接接觸狀況，得到足夠精確的結果，同時節省了分析的時間，提高分析效率。
若對結果的精度要求不高，或螺栓并不是分析的重點，則直接對不帶螺紋的實體螺栓進行接觸關系設置即可滿足計算要求。
4.使用MPC約束和梁單元模擬螺栓
一般在螺栓只起連接和緊固作用，且不設置相應輸出時使用這種模擬螺栓的方式。
展開 螺栓校核是工程計算中較為重要的環節，有限元模擬為螺栓校核的計算提供了更高效便捷的方法。ABAQUS作為強大的非線性有限元分析工具，能夠進行多種方式的螺栓建模計算，獲取更加準確可靠的結果。
Abaqus來進行螺栓連接的校核計算時，通常采用以下兩種計算方式：
（1）采用實體單元建模，見下圖。螺栓與連接板、連接板與連接板之間定義接觸，根據工程需要，在螺栓中間加預緊力。該方法的計算出來的結果一般來說比較準確，但建模較為復雜，計算量大，尤其對于螺栓連接比較多的情況，需要進行大量接觸對的定義，模型處理時間與計算成本較大。
圖1 螺栓實體建模
（2）采用梁單元建模，見下圖。梁單元的兩端點分別于兩端的連接板通過coupling或mpc進行連接，不需要定義接觸。這種情況下，螺栓主要承受的是外部的軸向拉伸或主要承受的是橫向剪切力。這兩種受力情況，螺栓都不需要承受預緊力，連接板的外力不是由連接板之間的摩擦力來克服的，而是由螺栓本身來克服。
這種的建模方式在即受預緊力F'又受軸向載荷F時，可以正確求出螺栓受力的邊界條件，即得出梁單元的軸向力和橫向剪切力。得到軸向力和橫向剪切力后，就可以應用《機械設計手冊》中的公式，計算出相應螺栓的應力。對于螺栓較多的情況，可以人工選擇受力較大的螺栓進行單獨校核，也可以通過python程序進行批處理計算。
圖2 螺栓梁單元建模校核
Abaqus中，螺栓的軸向力可有SF1得到，橫向剪切力可由兩個分力SF2和SF3合成得到。
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