ABAQUS螺栓预紧力分析详解

螺栓连接是广泛使用的紧固部件的方法，螺栓连接的设计是保持结构完整性的重要因素之一。在航空航天领域，有许多组件需要用螺栓连接，特别是连接机身和主翼的连接件的螺栓结构需要非常精细的设计。一般来说，当拧紧螺栓时，应用适当的扭矩来给予预紧力。有多种方法可以将这种预紧力应用到分析中。在本文中，我们介绍ABAQUS中提供的“Bolt-Load”功能来实现预紧力的施加。

一般来说，螺栓结构暴露在各种载荷条件下。例如:剪切荷载、弯曲荷载、拉伸荷载、扭转荷载以及这些荷载的组合。在此分析中，将应用于有预紧力和无预紧力的螺栓结构的拉伸进行分析和比较。建立该练习模型是为了了解螺栓紧固结构的模型以及如何施加预紧力。下面按照一般 Abaqus/CAE 建模仿真步骤进行：

1.几何建模（part）：

螺栓紧固模型是一个由三个组件组成的组件:支架，法兰和螺栓。

在螺栓模型中，为了施加螺栓预紧力，必须对螺栓杆的中间部分进行分区，并创建中心轴，如图所示。

2.赋予材料参数（property）：

创建材料和截面属性并赋予：铝(法兰和支架)和不锈钢(螺栓)

3.装配（Assembly）：

4.分析步(step)

分析包括两个step。step1对螺栓施加预拉力，step2对模型添加拉伸载荷。

5.相互作用（Interaction）

首先定义接触属性：

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

使用“发现接触对（Find Contact Pairs）”功能来自动识别接触的表面，并应用到所有的面：

Interaction → Find Contact Pairs → OK

通过设置凸耳表面的中心点作为参考点来创建MPC约束，以便施加拉伸载荷：Constraint → Create → MPC Constraint → Select control point and slave node surface

6.网格划分

所有部件均使用自由网格划分方式。

7.载荷与边界条件（Loading and Boundary Condition）

在step1中，给螺栓施加25kN的预拉力。钢系紧固件的预拉力一般设定为材料屈服强度的75%~80%。在step2中，120kN的拉伸载荷被施加在螺栓上。

另外给法兰底面添加位移约束，选择U1 = U2 = U3 = 0，如下图所示。

以上步骤建立了带预紧力的螺栓连接模型。可以通过从模型树中复制创建的模型来创建一个新模型。在这个模型中，在Load管理器将施加在螺栓上预紧力关闭。

8.Result（结果分析）

提交计算带预紧力和无预紧力的模型，并比较结果。下图是第一步的接触压力(CPRESS)的比较。如图所示，使用预张力模型的螺栓孔周围的接触压力为44 MPa，无预紧力模型的接触应力较小。从von-mises应力分布可以看出，在最后阶段微观应力大小有所不同，但宏观水平差异不大。

Contact pressure

Von-mises stress

为反映预紧力的作用，让我们比较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

下图为von-mises应力变化曲线。从静力强度的角度来看，两种模型的最大应力没有显著差异，且两种模型的最大应力出现位置相似。

但是，在疲劳方面是有区别的。根据疲劳理论，应力应变振幅越大，疲劳寿命越短。即无预紧力的模型中，螺栓疲劳寿命较短。

通过这个实例，我们通过分析给螺栓连接模型施加预紧力来检验预紧力的影响。螺栓等紧固件的预紧可以防止螺栓在振动工况下松动，即使在冲击等动态环境中也可以提高相对稳定性。

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