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Abaqus有限元仿真软件中螺栓的接触分析

(2017-08-29 16:22:10)

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。

 Abaqus是一套功能强大的工程模拟的有限元软件,其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。Abaqus包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库,可以模拟典型工程材料的性能,其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。

 今天,有限元科技小编给大家分享的是:Abaqus有限元仿真软件处理螺栓连接的三种方式

 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Interactionwww.featech.com.cn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):


http://www.feaworks.org/uploads/allimg/170829/095019E62-0.png

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:

 


http://www.feaworks.org/uploads/allimg/170829/0950193549-1.png

图3连接螺栓接触来定义带螺纹螺栓


http://www.feaworks.org/uploads/allimg/170829/0950191N8-2.png

 

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,PositionTolerance(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(boltload);2、定义过盈接触(contactinterference)。

 a、施加螺栓载荷(boltload)

 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:1、Applyforce:指定预紧力。2、Adjustlength:调整螺钉长度。3、Fixatcurrentlength: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Applyforce,在后几步用Fixatcurrentlength。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。

 b、定义过盈接触(contactinterference)

 过盈配合与载荷类似,无法在初始分析步中定义。

 Graduallyremoveslavenodeoverclosureduringthestepwww.featech.com.cn(在分析步中逐渐去掉从面节点的过盈量);  Uniformallowableinterference(允许的过盈量),在Magnitudeallowableinterference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。

 ③、接触分析中不同单元性能的比较:

 (1)线性减缩积分单元(C3D8R)和非协调单元(C3D8I)都适合于接触分析,二者得到的位移结果很相近。使用C3D8R单元可以大大缩短计算时间,但得到的节点应力结果较差。

 (2)如果接触属性为“硬”接触,则不能使用六面体二次单元(C3D20和C3D20R),以及四面体二次单元(C3D10),应该尽量使用六面体一阶单元。有时可用C3D8I单元(六面体非协调模式单元)。

若使用二次的,花费时间多,会出现异常的CPRESS结果。

 (3)使用修正的四面体二次单元(C3D10M),计算时间也大大增加。但如果模型的几何形状复杂,无法使用六面体单元网格,可以使用C3D10M单元进行接触分析。

 (4)采用六面体线性完全积分单元(C3D8)或四面体线性单元(C3D4)得到的分析结果都很差,因此尽量不要在模型中使用这两种单元。

 4、结论

 采用不同的单元类型进行小滑移接触分析,比较其结果,可以得出以下结论。

 (1)线性减缩积分单元(C3D8R)和非协调单元(C3D8I)都适合与接触分析,二者得到的位移结果很相近。使用C3D8R单元大大缩短计算时间,但得到的节点应力结果较差。

 (2)如果接触属性为默认的“硬接触”(hardcontact),则不能使用六面体二次单元(C3D20和C3D20R),以及四面体二次单元(C3D10)。使用六面体二次减缩单元,会看到异常的CPRESS结果,花费的CPU时间为907s,而使用C3D8R单元时,CPU时间为53s。

 (3)使用修正的四面体二次单元(C3D10M),计算时间也大大增加。但如果模型的几何形状复杂,无法使用六面体单元,可以使用C3D10M单元进行接触分析。

 (4)采用六面体线性完全积分单元(C3D8)或四面体线性单元(C3D4)得到的分析结果都很差,因此尽量不要在模型中使用这两种单元。

 有限元科技提供Abaqus软件销售、咨询分析及培训等服务,有需要可以联系有限元科技官网在线客服哦!


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