基于Abaqus的螺栓預緊力仿真分析

  螺栓作為工程實際中最常見的一種連接件，在工程結構中扮演了非常重要的角色，如航空航天、基礎設施、船舶、汽車、特種設備等安全性要求較高的行業領域。螺栓做關鍵部位的緊固件時，工程師希望能直接準確的檢測與控制螺栓的軸向應力，以保證其工作的安全性與可靠性。

  螺栓預緊力就是在擰螺栓過程中擰緊力矩作用下的螺栓與被聯接件之間產生的沿螺栓軸心線方向的預緊力。對于一個特定的螺栓而言，其預緊力的大小與螺栓的擰緊力矩、螺栓與螺母之間的摩擦力、螺母與被聯接件之間的摩擦力相關。

   預緊可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強度，增強連接的緊密性和剛性。事實上，大量的試驗和使用經驗證明：較高的預緊力對連接的可靠性和被連接的壽命都是有益的，特別對有密封要求的連接更為必要。當然，俗話說得好，“物極必反”，過高的預緊力，如若控制不當或者偶然過載，也常會導致連接的失效。因此，準確確定螺栓的預緊力是非常重要的。通過CAE仿真能夠有效模擬分析螺栓預緊的施加。

在Abaqus中常用以下兩種方式進行螺栓預緊計算：

1、在Load功能模塊中施加螺栓載荷；

  使用螺栓載荷（boll load）可以模擬螺釘的預緊力和各種均勻預應力。定義螺栓載荷時，需要制定一個受力截面，以及載荷的方向和大小。施加螺栓載荷的方式有以下三種：

a、Applt force:指定預緊力。

b、Adjust length調整螺栓長度。

c、Fix at current length:保持螺栓當前長度。

2、通過定義過盈接觸模擬螺栓預緊；

  定義過盈接觸的幅值曲線，進入Iteracion功能模塊，點擊主菜單Tools-Amplitude-Create,點擊Continue，輸入類似下圖所示的分析步時間和幅值，分析步時間根據實際分析步時間來確定。

幅值曲線

  以下為元王為某客戶做的螺栓預緊有限元分析。

分析背景

Case1：鑄鋁卷邊部分分析

Case1邊界條件：

1、20KN針對兩個螺栓的預緊力（下圖藍色箭頭）

2、100N殼體內部聚氨酯內置件對鋁蓋的壓力（下圖紅色箭頭）

3、14KN來自減震器活塞桿對蓋子的載荷（下圖深紅色箭頭）

Case2：鋁殼底部受力分析

Case2邊界條件：

1、13.5KN來自減震器活塞桿對鋁殼底部的載荷（下圖黃色箭頭）

2、56.2KN來自jounce bumper針對鋁殼底部的載荷（下圖紅色箭頭）

幾何模型和FEA模型

分析結果

Case1：鑄鋁卷邊部分分析

  鋁殼卷邊位置最大應力143.3MPa，超過了材料的屈服強度（130MPa），在上圖紅色區域會有少許塑性變形。鋁蓋上最大應力199.6MPa，也超過了材料的屈服強度，在局部位置會有塑性變形。

Abaqus的分析結果

  鋁殼卷邊位置，由于abaqus采用C3D10M單元，部分位置有應力奇異現象，應力值偏大，但應力的整體分布與前者基本一致，從應變圖可以看出來。

Case2：鋁殼底部受力分析

鋁殼應力云圖

  鋁殼根部有較大應力，同時會產生較小的塑性變形。由于ALSi12本身延展性較差，局部位置會出現失效。

鋁殼應力云圖（abaqus結果）

應力分布基本一致，產生塑性應變的區域也差不多。

結論

  工況一條件下，鋁殼卷邊位置會有很小的區域有塑性變形，不影響整體使用功能。

  工況二條件下，鋁殼大部分位置應力都超過了屈服強度，而且局部位置應力超過抗拉強度，有失效的風險。

  在實際工程應用中，常常使用力矩扳手或超聲波測力法進行測量螺栓預緊力，但是這兩種方法局限性很大，測量結果并不太可靠，元王通過CAE仿真計算得到的結果則更加方便直觀，還能夠對產品進行優化。選擇元王CAE仿真應用專家，為您的企業帶來無限可能~