预紧力螺栓Pre-tension_abaqus_by_gy
产品: ABAQUS/Standard ABAQUS/CAE
装配载荷：
· 能用来模拟结构中的紧固载荷
· 施加在用户定义的预紧截面上
· 施加在与预紧截面相关的预紧节点上
· 需要预紧载荷的指定或紧固调整
下图是一个简单的例子来解释装配载荷的概念。
图1 装配载荷示例
容器A是由螺栓预紧力压在盖子上来密封的，中间有一垫子，如图1所示。在standard中，预紧的模拟是通过在螺栓内添加一个“切割面”或预紧截面，并使其承受一拉伸载荷实现的。通过修改预紧截面一侧的单元， standard可以自动调整预紧截面上螺栓的长度，以获得想要的预紧力值。后续的分析步中可以防止螺栓长度的进一步改变，以使相对于装配件内的其他载荷，螺栓是作为标准的变形组件存在。
ABAQUS/Standard允许通过实体单元、杆单元或梁单元定义紧固件件的装配载荷。分析步中定义装配载荷不会随着单元类型的不同而显著不同。
在实体单元中，预紧截面是在螺栓内、将螺栓切割成两部分的一个面(见图2)。对于有几个不同片段组成的紧固件，预紧截面可以是一组面。
图2 使用连续单元定义的预紧截面
基于单元的面包括单元和表面信息。必须将该面转化成预紧截面以便预紧载荷能施加在该截面内的控制节点上。
输入文件：使用下列选项来创建基于实体单元的预紧截面：
*SURFACE，TYPE=ELEMENT，NAME=面的名称
*PRE-TENSION SECTION，SURFACE=面的名称，NODE=节点编号
ABAQUS/CAE：load模块：Create load：在Category选择Mechanical，及Bolt load。
1)对齐控制节点到预紧截面
装配载荷通过预紧截面上的预紧节点传递。预紧节点不属于模型中的任何单元。它只有一个自由度(自由度1)，该自由度表示切割面法向两侧的相对位移，见图3。该节点的坐标或位置并不重要。
图3 预紧截面的法向，该法向是远离下层单元的方向
2)定义预紧截面的法向
ABAQUS/Standard计算截面的平均法向——在面的正方向上，远离产生截面的实体单元的方向就是预紧力施加的方向。也可以自行指定法向(当期望的载荷方向与预紧截面的平均法向不同时)，对于大位移分析，该法向不会更新。
3)组织预紧截面另一侧的单元
对于所有通过至少一个节点连接到预紧截面的单元，ABAQUS/Standard必须决定每个单元位于预紧截面的哪一侧。该过程对于预紧载荷正常工作起着至关重要的作用。
用来定义截面的单元在本讨论中作为“基单元”的概念被提起的。所有在截面同一侧的、作为基单元的单元作为“下层单元”的概念被提起。所有连接到截面并共享该面(或二维问题的边)的基单元会被添加到下层单元列表中。这是一个重复的过程，使ABAQUS/Standard能在几乎所有网格(包括三角形、楔形、四面体和内嵌梁、杆、壳和膜单元)中找到定义面时未被使用的下层单元。见图4。
图4 用来查找下层单元的基单元
在多数情况下，该过程会将所有连接到截面并构成两个区域的单元分成组，如图5所示。少数情况下，该过程会分组单元超过两个区域，特别是当线单元横跨单元边界时。
图5 发现额外的下层单元
对于非区域1的其它区域，需要另外的分析步来决定该区域位于截面的哪一侧。对于所有属于截面的该区域内的节点，ABAQUS/Standard计算一个平均法向， n， 也计算所有这些节点的一个平均位置(A)。此外，还计算该区域内剩余节点的一个平均位置(B)。如果法向n和向量AB的数量积是负的，则假设该区域是一个下层区域，并将其添加到区域1中。这个另外的分析步解释如图5的区域2和3 。
这个另外的分析步对于梁单元会产生不正确的分割，因为梁作为下层单元将不会被发现，如图6。
图6 下层单元不会被发现(梁单元)
如果预紧截面包括不固定的形状并且有一个或多个横跨单元边界的线单元与之相连，请参看.dat文件中的下层单元列表来确定下层单元是正确列出的。
只连接到预紧截面上节点的单元(比如SPRINT1、DASHPOT1和MASS单元)不会包含在下层单元中，他们都被认为属于截面的另一侧。
2、使用杆或梁单元创建预紧
当使用杆或梁单元创建预紧组件时，预紧截面会缩减到一个点。假设截面位于单元的最后一个节点上，其法向沿着从第一到最后节点的方向。所以，只要指定要施加装配载荷的单元和相应的预紧节点，就可以完全定义截面。
输入文件：使用下列选项来创建基于实体单元的预紧截面：
*PRE-TENSION SECTION，ELEMENT=单元编号，NODE=节点编号
ABAQUS/CAE：load模块：Create load：在Category选择Mechanical，及Bolt load。
与基于面的预紧截面一样，预紧节点也只有一个自由度(自由度1)，它表示切面法向两侧的相对位移，如图7。节点的坐标不重要。
图7 使用杆或梁单元定义预紧截面
ABAQUS/Standard从下层单元的第一到最后节点的向量计算法向。也可以直接指定截面的法向，该法向在大位移分析中不会更新。
可以通过重复预紧截面定义的输入定义多个预紧截面。每个预紧截面要拥有自己的预紧节点。
局部坐标不能用于预紧节点，只能用于预紧截面上的节点。
1)施加预紧力
可以施加集中载荷到预紧节点。该载荷是一个自平衡的力，沿着预紧截面的法向在预紧截面上传递。
输入文件：*CLOAD
ABAQUS/CAE：load模块：Create load：在Category选择Mechanical，及Bolt load。
图8 施加在预紧节点上的装配载荷，沿着方向n作用
可以通过在预紧节点定义非零边界条件规定预紧截面的紧固调整。
输入文件：*BOUNDARY
ABAQUS/CAE：load模块：Create load：在Category选择Mechanical，及Bolt load，选择面，如果必要选择轴线：Method：Adjust length
可以通过使用边界条件固定自由度在分析步开始时的当前值来维持预紧截面的初始调整，该技术使预紧截面上的载荷根据外部施加的载荷来维持平衡。如果截面的初始调整未被维持，则紧固力将保持常数。
当预紧节点不是由边界条件控制，确信结构的组件是耦合约束的，否则，结构会由于刚体模式的存在而分开。如果在分析的第一个分析步内未发现任何边界条件或载荷在预紧节点上，ABAQUS/Standard将发出一个警告信息。
ABAQUS/Standard自动调整预紧截面处组件的长度来获得规定数量的预紧。该调整是通过移动下层单元在预紧截面上的节点实现的。结果，下层单元将变现出缩短，尽管当预紧力施加时它们承受的是拉应力。
有以下限制：
· 装配载荷不能在子结构内指定。
· 如果执行子模型分析，预紧截面不能横跨驱动节点。就是说，预紧截面应该是完全的整体模型而不属于子模型的一部分或完全是子模型的一部分。后续分析中，当执行子模型分析时，预紧截面也必须在子模型内。
· 预紧截面上的节点不应连接到有多点约束的其它实体上。这些节点可以连接到有方程约束的其它实体上，但是连接预紧截面上一节点和截面下层一侧节点的方程会引入约束，因此，会影响预紧载荷的施加；另一方面，连接预紧截面上节点和截面另一侧节点的方程不会影响预紧载荷的施加。
求解序列
任何ABAQUS/Standard使用位移自由度单元类型的求解序列都可以使用。当规定初始预紧时，静态分析是最可能的求解序列，其它分析比如温度-位移耦合分析也可使用。一旦施加了初始预紧，静态或动态分析可以用来施加额外的载荷来维持紧固调整。
预紧截面上的合力是预紧节点上反力加上任何施加到该节点的集中载荷的和。使用输出变量TF可以输出预紧截面上的合力。合力的方向是沿着法线方向，预紧截面上的剪切力不能输出。T
预紧截面的紧固调整作为预紧节点的位移可用。位移输出使用U，只有垂直于预紧截面的调整可以输出，因为无其它方向的调整。
预紧截面上的应力分布不能直接使用，但是，下层单元的应力能很容易被显示。绑定接触对能附着在预紧截面位置来通过CPRESS和CSHEAR输出应力分布。
定义装配载荷，例子使用的是实体单元
…
可选定义预紧节点
*SURFACE,NAME=名字
数据行：指定单元和相应的面来定义预紧截面
*PRE-TENSION SECTION,SURFACE=名字,NODE=预紧节点
**
** 预紧截面的使用
控制时间增量步的数据行
预紧节点,1,预紧力的值
或者
*BOUNDARY,AMPLITUDE=amplitude
预紧节点, 1, 1,紧固调整
**保持紧固调整并施加新的载荷
控制时间增量步的数据行
*BOUNDARY,FIXED
pre-tension_node, 1, 1
定义其他边界条件的数据行
定义其他载荷条件的数据行
…
创建螺栓载荷
1)理解螺栓载荷
螺栓载荷建立紧固力或长度调整模型，如图9所示，容器A是由螺栓预紧力压在盖子上来密封的，中间有一垫子。
图9 预紧螺栓载荷
可以在第一个分析步中施加螺栓载荷来建立紧固螺栓内的拉力，方式是集中力或规定长度的改变，可以在螺栓横截面上施加载荷。后续分析步中可以防止螺栓长度的进一步改变，以使相对于装配件内的其他载荷，螺栓是作为标准的变形组件存在。
当创建螺栓载荷，必须指定：
定义螺栓横截面的面
ABAQUS/CAE施加螺栓载荷在横截面上。该面必须切断螺栓几何。ABAQUS/CAE 在该位置创建一个“内部”面。
如果你正面对内部创建的或导入的螺栓实例，通常将螺栓在需要的位置分割开是很必要的。如图10。
图10 分割螺栓几何
如果你正面对一个孤立网格，必须通过选择单元面来定义横截面。如图11。
图11 使用单元面来定义螺栓横截面
注意：只可以施加螺栓载荷在三维实体、二维实体和三维线框上。不支持二维和轴对称线框。
螺栓轴线
如果定义螺栓载荷在一实体区域上，必须选择基准轴或基准坐标系的一个轴来定义螺栓轴线(如果不是垂直于横截面)。如果在线框区域定义螺栓载荷，螺栓轴线总是被假定为横截面处的线框切向。
ABAQUS/CAE使用定义的横截面和螺栓轴线来定义预紧截面数据，还有一个预紧参考节点。
施加载荷的方法
当创建螺栓载荷，必须选择下列方法之一：
l 施加力在螺栓上。该方法创建紧固螺栓来承受指定载荷。
l 调整螺栓长度。该方法创建紧固螺栓直到其自由长度由指定值改变。
l 固定螺栓的当前长度。该方法仅当已经在第一个分析步中创建了螺栓而且当前正在随后的分析步中编辑它才可用。该方法允许螺栓长度保持不变以使螺栓中的力根据模型的响应来改变。
所选方法的大小
如果施加力给螺栓，必须输入力的大小；如果调整螺栓长度，必须输入长度改变值。
只可以在第一个分析步创建螺栓载荷，但可以在随后分析步中更改载荷方法或载荷大小。例如，可以在第一个分析步施加特定的拉力，然后在第二个分析步改变方法来固定螺栓长度。
2)创建和编辑螺栓载荷
从主菜单选择Load——>Create来创建螺栓力或长度调整。
为定义螺栓载荷：
a) 如果面对的是内部创建的或导入的几何，创建一个分割来表明需要的螺栓载荷位置。
b) 如果面对一个实体实例，创建基准轴表明螺栓轴线的方系，也可以创建坐标系并使用它的轴来表明螺栓轴线的定位。
c) 从主菜单，选择
CAE将显示Create Load对话框
d) 在Create Load对话框，做如下：
l 从Category列表，选择Mechanical
l 从Types for Selected Step列表，选择Bolt Load，并单击Continue
e) 在视图内，用鼠标选择表明螺栓载荷位置的内部面。可以使用Shift+Click、Ctrl+Click和角度方法来选择多于一个面或边。
f) 如果螺栓是实体实例，选择基准轴来表明螺栓轴线，也可以选择坐标系的一个轴。
g) 单击Method后面的箭头，选择载荷方法
h) 在Magnitude后，输入力的大小或长度改变。
i) 如果必要，指定一个幅值
j) 点击OK，就创建了螺栓载荷。
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