ABAQUS螺栓接触分析

2016-10-26 by:CAE仿真在线来源:互联网

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。如果仿真的重点在于模拟螺栓,要求输出螺栓的应力、变形数据等,则将其创建为三维部件进行精细建模;如果螺栓在仿真过程中是次要的,只起简单的连接和紧固作用,则可以使用MPC约束和梁单元对螺栓进行简化建模。

作为一款功能强大的通用CAE软件,ABAQUS处理普通螺栓连接的方式有三种:带螺纹的实体螺栓、不带螺纹的实体螺栓和MPC与梁单元组合的螺栓简化模型。

1.带螺纹的实体螺栓

对于带螺纹的实体螺栓仿真,只需在ABAQUS中定义适当的接触关系,选择合适的摩擦系数即可,通常使用通用接触即可满足计算的要求。

采用这种实体螺栓的仿真计算,虽然得到的结果很精确,但却大大增加了螺栓模型前处理的工作量(螺栓和螺纹均用六面体网格建模),且计算量大,计算过程中接触收敛困难。因此,在精度要求不高的情况下,不采用这种实体螺栓模型。

2.不带螺纹的实体螺栓

为了简化模型,提高计算的效率,可以创建不带螺纹的实体螺栓模型。这种情况下,只需在ABAQUS的接触定义中设置跟实际螺纹形状有关联的参数,如牙角、螺距、螺栓小径等,即可以模拟真实的螺栓连接接触状况,得到足够精确的结果,同时节省了分析的时间,提高分析效率。

若对结果的精度要求不高,或螺栓并不是分析的重点,则直接对不带螺纹的实体螺栓进行接触关系设置即可满足计算要求。

3.使用MPC约束和梁单元模拟螺栓

一般在螺栓只起连接和紧固作用,且不设置相应输出时使用这种模拟螺栓的方式。这种方式需要预先在Part功能模块中创建一维(wire)部件,并为其设置相应的梁单元截面属性,之后才能在Interaction功能模块中创建MPC约束,完成螺栓的模拟。

这种模拟方式下,MPC单元只在Interaction功能模块中可见,但是其不影响计算的结果,且在后续的后处理模块中可以打开一维单元显示开关将其显示出来。

A.带螺纹的实体螺栓

直接按照实际情况做出来螺栓螺纹采用接触分析,这样得出的结果很精确,但是这样前处理工作量大(螺栓和螺纹用六面体网格建模)、计算量大(接触收敛困难),如图为某结构带螺纹螺栓和连接件模型(图1)和计算得出的结果(图2):

图1 某结构带螺纹螺栓和连接件模型

图2 计算结果

B.不带螺纹的实体螺栓

运用大型通用非线性有限元分析软件ABAQUS,只需要在接触定义中设置跟实际螺纹形状有关联的参数,如牙角、螺距、螺栓小径等,就可以模拟真实的连接螺栓接触状况。既可以得到足够精确的分析结果,又节省了时间专注进行其他的分析设置。如图3,为连接螺栓接触来定义带螺纹螺栓:

图3 连接螺栓接触来定义带螺纹螺栓

图4某结构直径10MM的带螺纹的连接螺栓接触压力分布云图

C.一些需要考虑的部分

1、螺栓连接的简化

由于螺纹处的应力应变不是关心的重点,因此,为简化建模,避免收敛困难,在螺钉和螺孔内表面之间建立绑定约束(tie)。这样得到的模型会比实际结构刚硬。

建立绑定约束的两个面在整个分析过程中都会紧密连接在一起,不会分开,如同一个整体。

Tie绑定约束,Position Tolerance(位置误差限度)设为Specifydistance:XXX.

含义:与主面距离小于此限度的从面节点都会受到绑定约束。对于在位置误差限度内的从面节点,ABAQUS将调整其初始坐标,使其与主面的距离为0。注意不要将值设太大,以免由于调整从面节点位置,而造成较差的单元形状。

2、预紧力的模拟

在ABAQUS中模拟螺钉预紧力的两种方式:1、施加螺栓载荷(bolt load);2、定义过盈接触(contact interference)。

1、施加螺栓载荷(bolt load)

可以模拟螺钉的预紧力和各种均匀预应力。定义螺栓载荷时,需要指定螺钉上的一个受力截面。施加螺栓载荷的方式三种:A、Apply force:指定预紧力。B、Adjust length:调整螺钉长度。C、Fix at current length:保持螺钉当前长度。

注意:螺栓载荷为正值时表示使受力部件缩短;螺栓载荷为负值时表示受力部件伸长。

在做螺栓接触分析时,可以设好几个分析步,已达到平稳接触。在前几步使用Apply force,在后几步用Fix at current length。含义:在该分析步的开始,去除螺钉的预紧力,让螺钉保持上一步结束时的长度。在该步分析结束后,如果有其他外载荷,螺钉长度会发生变化。

2、定义过盈接触(contact interference)

过盈配合与载荷类似,无法在初始分析步中定义。

Gradually remove slave node overclosureduring the step(在分析步中逐渐去掉从面节点的过盈量);Uniformallowable interference(允许的过盈量),在Magnitudeallowable interference后面输入一个微小的过盈量-0.0001(注意不要忽略负号,负号表示过盈量,正值表示间隙量)。

若使用ABAQUS默认的幅值曲线Ramp,ABAQUS会在分析步开始施加全部的过盈量,然后使其逐渐减少,到分析步结束时过盈量将值0。这样在后处理中会看到,在分析步结束时模型没有过盈接触,接触面上的接触压强CPRESS为0,这样的结果是不对的。因此,不能使用ABAQUS默认的幅值曲Ramp。