基于Abaqus的螺栓预紧力仿真分析

螺栓作为工程实际中最常见的一种连接件，在工程结构中扮演了非常重要的角色，如航空航天、基础设施、船舶、汽车、特种设备等安全性要求较高的行业领域。螺栓做关键部位的紧固件时，工程师希望能直接准确的检测与控制螺栓的轴向应力，以保证其工作的安全性与可靠性。

螺栓预紧力就是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力相关。

预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性。事实上，大量的试验和使用经验证明：较高的预紧力对连接的可靠性和被连接的寿命都是有益的，特别对有密封要求的连接更为必要。当然，俗话说得好，“物极必反”，过高的预紧力，如若控制不当或者偶然过载，也常会导致连接的失效。因此，准确确定螺栓的预紧力是非常重要的。通过CAE仿真能够有效模拟分析螺栓预紧的施加。

在Abaqus中常用以下两种方式进行螺栓预紧计算：

1、在Load功能模块中施加螺栓载荷；

使用螺栓载荷（boll 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，需要制定一个受力截面，以及载荷的方向和大小。施加螺栓载荷的方式有以下三种：

a、Applt force:指定预紧力。

b、Adjust length调整螺栓长度。

c、Fix at current length:保持螺栓当前长度。

螺栓载荷的选择	选择螺栓施加的截面	选择螺栓载荷施加的形式

2、通过定义过盈接触模拟螺栓预紧；

定义过盈接触的幅值曲线，进入Iteracion功能模块，点击主菜单Tools-Amplitude-Create,点击Continue，输入类似下图所示的分析步时间和幅值，分析步时间根据实际分析步时间来确定。

幅值曲线

 

以下为元王为某客户做的螺栓预紧有限元分析。

分析背景

Case1：铸铝卷边部分分析

Case1边界条件：

1、20KN针对两个螺栓的预紧力（下图蓝色箭头）

2、100N壳体内部聚氨酯内置件对铝盖的压力（下图红色箭头）

3、14KN来自减震器活塞杆对盖子的载荷（下图深红色箭头）

Case2：铝壳底部受力分析

Case2边界条件：

1、13.5KN来自减震器活塞杆对铝壳底部的载荷（下图黄色箭头）

2、56.2KN来自jounce bumper针对铝壳底部的载荷（下图红色箭头）

几何模型和FEA模型

分析结果

Case1：铸铝卷边部分分析

铝壳卷边位置最大应力143.3MPa，超过了材料的屈服强度（130MPa），在上图红色区域会有少许塑性变形。

铝盖上最大应力199.6MPa，也超过了材料的屈服强度，在局部位置会有塑性变形。

Abaqus的分析结果

铝壳卷边位置，由于abaqus采用C3D10M单元，部分位置有应力奇异现象，应力值偏大，但应力的整体分布与前者基本一致，从应变图可以看出来。

Case2：铝壳底部受力分析

铝壳应力云图

铝壳根部有较大应力，同时会产生较小的塑性变形。由于ALSi12本身延展性较差，局部位置会出现失效。

铝壳应力云图（abaqus结果）

应力分布基本一致，产生塑性应变的区域也差不多。

 

结论

工况一条件下，铝壳卷边位置会有很小的区域有塑性变形，不影响整体使用功能。

工况二条件下，铝壳大部分位置应力都超过了屈服强度，而且局部位置应力超过抗拉强度，有失效的风险。

在实际工程应用中，常常使用力矩扳手或超声波测力法进行测量螺栓预紧力，但是这两种方法局限性很大，测量结果并不太可靠。