基于A(yíng)baqus的螺栓預(yù)緊力仿真分析

  螺栓作為工程實(shí)際中最常見(jiàn)的一種連接件，在工程結(jié)構(gòu)中扮演了非常重要的角色，如航空航天、基礎(chǔ)設(shè)施、船舶、汽車(chē)、特種設(shè)備等安全性要求較高的行業(yè)領(lǐng)域。螺栓做關(guān)鍵部位的緊固件時(shí)，工程師希望能直接準(zhǔn)確的檢測(cè)與控制螺栓的軸向應(yīng)力，以保證其工作的安全性與可靠性。

  螺栓預(yù)緊力就是在擰螺栓過(guò)程中擰緊力矩作用下的螺栓與被聯(lián)接件之間產(chǎn)生的沿螺栓軸心線(xiàn)方向的預(yù)緊力。對(duì)于一個(gè)特定的螺栓而言，其預(yù)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(lián)接件之間的摩擦力相關(guān)。

   預(yù)緊可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強(qiáng)度，增強(qiáng)連接的緊密性和剛性。事實(shí)上，大量的試驗(yàn)和使用經(jīng)驗(yàn)證明：較高的預(yù)緊力對(duì)連接的可靠性和被連接的壽命都是有益的，特別對(duì)有密封要求的連接更為必要。當(dāng)然，俗話(huà)說(shuō)得好，“物極必反”，過(guò)高的預(yù)緊力，如若控制不當(dāng)或者偶然過(guò)載，也常會(huì)導(dǎo)致連接的失效。因此，準(zhǔn)確確定螺栓的預(yù)緊力是非常重要的。通過(guò)CAE仿真能夠有效模擬分析螺栓預(yù)緊的施加。

在A(yíng)baqus中常用以下兩種方式進(jìn)行螺栓預(yù)緊計(jì)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?shù)念A(yù)緊力和各種均勻預(yù)應(yīng)力。定義螺栓載荷時(shí)，需要制定一個(gè)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(yù)緊力。

b、Adjust length調(diào)整螺栓長(zhǎng)度。

c、Fix at current length:保持螺栓當(dāng)前長(zhǎng)度。

2、通過(guò)定義過(guò)盈接觸模擬螺栓預(yù)緊；

  定義過(guò)盈接觸的幅值曲線(xiàn)，進(jìn)入Iteracion功能模塊，點(diǎn)擊主菜單Tools-Amplitude-Create,點(diǎn)擊Continue，輸入類(lèi)似下圖所示的分析步時(shí)間和幅值，分析步時(shí)間根據(jù)實(shí)際分析步時(shí)間來(lái)確定。

幅值曲線(xiàn)

  以下為元王為某客戶(hù)做的螺栓預(yù)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(duì)兩個(gè)螺栓的預(yù)緊力（下圖藍(lán)色箭頭）

2、100N殼體內(nèi)部聚氨酯內(nèi)置件對(duì)鋁蓋的壓力（下圖紅色箭頭）

3、14KN來(lái)自減震器活塞桿對(duì)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(lái)自減震器活塞桿對(duì)鋁殼底部的載荷（下圖黃色箭頭）

2、56.2KN來(lái)自jounce bumper針對(duì)鋁殼底部的載荷（下圖紅色箭頭）

幾何模型和FEA模型

分析結(jié)果

Case1：鑄鋁卷邊部分分析

  鋁殼卷邊位置最大應(yīng)力143.3MPa，超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度（130MPa），在上圖紅色區(qū)域會(huì)有少許塑性變形。鋁蓋上最大應(yīng)力199.6MPa，也超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，在局部位置會(huì)有塑性變形。

Abaqus的分析結(jié)果

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

Case2：鋁殼底部受力分析

鋁殼應(yīng)力云圖

  鋁殼根部有較大應(yīng)力，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較小的塑性變形。由于A(yíng)LSi12本身延展性較差，局部位置會(huì)出現(xiàn)失效。

鋁殼應(yīng)力云圖（abaqus結(jié)果）

應(yīng)力分布基本一致，產(chǎn)生塑性應(yīng)變的區(qū)域也差不多。

結(jié)論

  工況一條件下，鋁殼卷邊位置會(huì)有很小的區(qū)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(yīng)力都超過(guò)了屈服強(qiáng)度，而且局部位置應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度，有失效的風(fēng)險(xiǎn)。

  在實(shí)際工程應(yīng)用中，常常使用力矩扳手或超聲波測(cè)力法進(jìn)行測(cè)量螺栓預(yù)緊力，但是這兩種方法局限性很大，測(cè)量結(jié)果并不太可靠，元王通過(guò)CAE仿真計(jì)算得到的結(jié)果則更加方便直觀(guān)，還能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。選擇元王CAE仿真應(yīng)用專(zhuān)家，為您的企業(yè)帶來(lái)無(wú)限可能~