利用Abaqus梁单元精准模拟螺栓连接结构

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。

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