Abaqus螺栓载荷教程 | 载荷、预载和连接
螺栓无处不在，从汽车和机器到建筑和桥梁。但螺栓不仅仅是为了固定东西。它们承载负荷、在张力下拉伸，甚至可能会失效。因此，当我们模拟它们时，我们需要正确地去做。
Abaqus为我们提供了几种模拟螺栓的方法，特别是当涉及到预紧力时。预紧力是拧紧螺栓后保持零件在一起的力。它影响接头的性能、刚性和分离或故障的可能性。在模拟中忽略预紧力可能导致不准确的结果。
在这篇文章中，我们探讨了如何在Abaqus中应用螺栓载荷。我们将从简单的连接约束到详细的实心螺栓建模等不同建模方法进行探讨。您还将学习如何使用力或收缩来施加预加载荷，以及何时使用每种方法。本指南将帮助您更准确地模拟螺栓在您的Abaqus螺栓连接中的行为。
1. 螺栓和Abaqus螺栓建模的快速概述
螺栓连接无处不在，在建筑物、汽车、机器和桥梁中。它们连接部件。它们将事物固定在一起。但它们不仅仅只是在那里。它们承受负载。它们会拉伸。有时甚至会发生故障。
这就是螺栓建模重要的原因。在现实生活中，螺栓必须承受拉力、剪切力或扭力等作用力。在仿真中，我们必须仔细表示这种行为。如果我们过于简化，我们的结果可能会误导我们。这就是Abaqus螺栓载荷发挥作用的地方。
在Abaqus中，我们可以以多种方式模拟螺栓。我们可以施加预紧力来模拟紧固。我们可以定义螺栓与其周围板件之间的相互作用方式。我们甚至可以将螺栓建模为一个完整的3D零件或简化的连接器。每种方法都适合不同的目标。
图1：螺栓连接示例
为什么螺栓模拟很重要？
螺栓影响接头的刚性。
他们控制负载如何从一个部分转移到另一个部分。
在某些情况下，例如疲劳，即使载荷看起来很小，螺栓也可能随着时间的推移而失效。
因此，理解Abaqus螺栓连接方法有助于我们更好地模拟现实。无论您是在分析钢框架还是汽车悬挂，正确地模拟螺栓都会产生差异。
2. 什么是螺栓预紧力（预载荷）？
在现实生活中，当我们拧紧一个螺栓时，我们会拉伸它。这种拉伸产生了一个力，将连接的部分保持在一起。这个力被称为预拉力或预载。
例如：
比如说你在更换汽车轮胎。你用一个扳手放在一个轮辋螺栓上，然后用你的腿用力往下压。你可能会听到一个尖锐的声音，因为螺栓稍微被拉伸了。这个声音并不是螺栓断裂的声音；它是螺栓在被拉伸和收紧时内部张力增加的声音。你在这里做的是施加预紧力。你在拉螺栓，产生一个内部力量将车轮夹紧在轮毂上。这个力量有助于在驾驶时保持车轮的稳固。
图2：螺栓在施加预紧力（预载）前后的状态
2.1. 为什么要应用预加载？
当你拧紧螺栓时，你会拉伸它。这种拉伸会在螺栓中产生拉力，将连接的部件拉在一起。同时，它还会产生一个夹紧力，使板保持紧密接触。这就是预紧力。
预紧力就像一个内部夹持器。它保持关节紧密连接。即使外部负载试图分离板件，也必须先克服预紧力。这意味着螺栓在发生开启或滑动之前可以承受更多的力。这就是为什么预紧力很重要。
在仿真中，应用Abaqus螺栓载荷可以重现这一重要效应。如果没有它，您的Abaqus螺栓连接可能会表现得过于柔软，或者过早分离，导致错误的应力或失效预测。
2.2. 如何指定螺栓预紧力？
预加载通常使用扭矩公式计算。
如果使用扭矩扳手紧固螺栓，请使用：
在何处：
Fp是预紧力（牛顿）
T是紧固扭矩（牛米）
K是扭矩系数（取决于润滑，约为0.2至0.3）
d是名义螺栓直径（毫米）
基于材料的目标预加载
一些标准建议使用螺栓屈服强度的75%-90%来避免过度拧紧。
在何处：
是螺栓的抗拉应力区
是螺栓材料的屈服强度
在Abaqus中施加预载荷的方法因螺栓和螺栓连接的建模类型而异。因此，我们将在后续章节中检查在螺栓连接建模中如何在Abaqus中施加预载荷
3. Abaqus螺栓连接建模的通用方法
在Abaqus中，对螺栓建模有多种方法。你的选择取决于你的目标：速度、准确性还是失效预测。我们可以将螺栓建模分为简化和详细两种方法。让我们一步一步地看看每种方法。
3.1. 非预加载螺栓建模
这种类型适用于仅需要将零件固定在一起而不模拟紧固的情况。它更快、更容易，但缺乏真正的预加载行为。
3.1.1. 绑扎连接
这就像将两个表面焊接在一起。你在孔的表面或板之间使用一个约束。
简单快捷
不需要螺栓几何形状
不允许分离或预加载
当您不关心螺栓力或分离，只需要一个刚性连接时使用。
这种方法通常用于您不是在分析螺栓本身，而只是想在建模中牢固地连接两个部件。它非常适合早期设计阶段或在大型组件中测试载荷路径。但请记住，它不会模拟真实的螺栓行为，因此您无法捕捉松动、间隙或夹紧效应。
图3：接头连接的样品
在上述图中，您可以看到板面之间的连接约束是有效的，螺栓在连接中不起作用。
3.1.2 刚性梁单元连接器
该方法使用元素连接器来连接两个参考点或表面，横跨关节。
连接器代表螺栓刚度
不模拟几何形状或预加载
可以传递力和力矩
这种方法类似于在部件之间放置一根强杆。它可以模拟螺栓的刚度，但不包括螺栓头、螺母和板之间的接触。当你对装配的整体响应更感兴趣而不是精确的螺栓应力时，它很有用。但同样，它没有捕捉到预加载和接触效应。通常，元素连接器帮助我们降低模拟成本，并通过简单建模使用户更容易使用。
要使用此方法，首先用户必须将孔与控制点（参考点）连接起来。
图4：控制点耦合孔
此耦合必须是运动学耦合（RBE2）；然而，选择分布是可能的，但计算成本更高。
图5：运动耦合（RBE2）
如下一图所示，现在孔与参考点已经耦合。
图6：与参考点电影式耦合的孔洞
在交互模块的下一步中，用户必须使用连接器构建器在两点之间构建一个连接器。
图7：在两个控制器点之间构建连接器
在上述图中，首先用户必须创建一个坐标系并选择一个与连接器平行的轴。其次用户必须选择连接器部分。如果它不存在，必须创建。在下一个图中显示选定的“连接类别”是“组装/复杂”，而“连接类型”是“梁”。
图8：创建连接器部分
最后，在下一个图中，您可以看到参考点之间有一个梁元素连接器，代表螺栓连接。
图9：代表螺栓连接的梁元件连接器
3.2. 预加载螺栓建模
这就是我们模拟真实螺栓紧固的地方；预加载、夹紧，有时甚至失败。
3.2.1. 转换器元素连接器
这使用了一个连接器元件，例如轴向转换器，它沿着螺栓轴线作用。
作为力或长度施加的预加载
无详细螺栓形状
比实体建模快
你可以将其视为模拟螺栓行为的数字弹簧。Abaqus允许你施加螺栓载荷（无论是力还是轴向收缩）来模拟紧固过程。它能够很好地捕捉预加载效应，尤其是在大型模型中。但由于它没有模拟与板的接触，可能会错过局部应力集中和接头摩擦。
此方法与梁元件连接器非常相似。所有模拟步骤都相同，除了在创建连接器截面时必须选择“转换器”连接类型。这允许模型施加预加载。
图10：选择适当的连接类型
现在，要应用预加载，用户需要在负载模块中选择连接器力。
图11：在负载模块中选择连接器力
对于最后一步，用户可以导入预加载值，如下面的图所示，以将预加载应用于翻译器元素连接器。
图12：对转换器元件连接器施加适当的预加载
3.2.2. 实体螺栓
这是最详细和现实的方法。您使用3D实体元素对整个螺栓进行建模，在分区的横截面上施加Abaqus螺栓载荷，并在头部和螺母区域定义接触。
包括螺栓形状、预紧力和接触
可捕捉故障、分离和应力峰值
需要网格和接触设置
如果你正在分析螺栓强度、局部应力或失效模式，这是最佳选择。它速度较慢且需要更多的设置，但准确性是值得的。在动态研究（如冲击）中 特别有用，其中螺栓失效模拟至关重要。
在设置螺栓与表面之间的交互后，使用此方法的第一步是在载荷模块中施加螺栓载荷。
图13：在负载模块中选择“螺栓载荷”类型
之后，我们需要从螺栓杆上选择一个承受预紧力的表面。为此，我们必须使用“螺栓杆表面”选项来创建一个加载预张力的表面。
图14：创建一个表面以施加预加载
现在到了施加负载的时候。如下一图所示，我们可以选择两种方法：施加预加载或调整长度。在这一步中，请记住激活“零件级别预紧”选项。
图15：在Abaqus中施加螺栓载荷
最后，在这些步骤之后，您可以在下图中看到螺栓上应用了预加载。
4. 结论
本文介绍了对Abaqus螺栓连接进行建模并应用Abaqus螺栓预紧力的方法。我们讨论了在模拟中如何表示螺栓，以及如何考虑紧固效应，即所谓的预紧力。
螺栓预紧力在接头行为中起着关键作用。它影响刚度、载荷传递和失效。如果不正确模拟预紧力，模型可能会给出误导性的结果，特别是在涉及疲劳或分离的情况下。
我们回顾了在Abaqus中模拟螺栓的不同方法以及Abaqus螺栓载荷。首先，解释了非预加载方法，如系杆连接和刚性梁连接器，用于简单快速的设置。然后，介绍了预加载方法，如平移连接器和平面螺栓建模。这些方法允许模拟真实的夹紧力和接触效应。我们还解释了如何计算和应用预加载。
总结来说，正确模拟螺栓需要选择正确的建模方法并在必要时施加预紧力。Abaqus提供了几种工具来实现这一点，选择正确的工具取决于你的分析目标。
