ABAQUS螺栓接觸分析

2016-10-26 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

螺栓連接是結(jié)構(gòu)連接的一種主要方式,在CAE分析中經(jīng)常遇到,針對不同的情況,通常我們會采取不同的方法來處理。如果仿真的重點在于模擬螺栓,要求輸出螺栓的應(yīng)力、變形數(shù)據(jù)等,則將其創(chuàng)建為三維部件進行精細建模;如果螺栓在仿真過程中是次要的,只起簡單的連接和緊固作用,則可以使用MPC約束和梁單元對螺栓進行簡化建模。

作為一款功能強大的通用CAE軟件,ABAQUS處理普通螺栓連接的方式有三種:帶螺紋的實體螺栓、不帶螺紋的實體螺栓和MPC與梁單元組合的螺栓簡化模型。

1.帶螺紋的實體螺栓

對于帶螺紋的實體螺栓仿真,只需在ABAQUS中定義適當?shù)慕佑|關(guān)系,選擇合適的摩擦系數(shù)即可,通常使用通用接觸即可滿足計算的要求。

采用這種實體螺栓的仿真計算,雖然得到的結(jié)果很精確,但卻大大增加了螺栓模型前處理的工作量(螺栓和螺紋均用六面體網(wǎng)格建模),且計算量大,計算過程中接觸收斂困難。因此,在精度要求不高的情況下,不采用這種實體螺栓模型。

2.不帶螺紋的實體螺栓

為了簡化模型,提高計算的效率,可以創(chuàng)建不帶螺紋的實體螺栓模型。這種情況下,只需在ABAQUS的接觸定義中設(shè)置跟實際螺紋形狀有關(guān)聯(lián)的參數(shù),如牙角、螺距、螺栓小徑等,即可以模擬真實的螺栓連接接觸狀況,得到足夠精確的結(jié)果,同時節(jié)省了分析的時間,提高分析效率。

若對結(jié)果的精度要求不高,或螺栓并不是分析的重點,則直接對不帶螺紋的實體螺栓進行接觸關(guān)系設(shè)置即可滿足計算要求。

3.使用MPC約束和梁單元模擬螺栓

一般在螺栓只起連接和緊固作用,且不設(shè)置相應(yīng)輸出時使用這種模擬螺栓的方式。這種方式需要預先在Part功能模塊中創(chuàng)建一維(wire)部件,并為其設(shè)置相應(yīng)的梁單元截面屬性,之后才能在Interaction功能模塊中創(chuàng)建MPC約束,完成螺栓的模擬。

這種模擬方式下,MPC單元只在Interaction功能模塊中可見,但是其不影響計算的結(jié)果,且在后續(xù)的后處理模塊中可以打開一維單元顯示開關(guān)將其顯示出來。

A.帶螺紋的實體螺栓

直接按照實際情況做出來螺栓螺紋采用接觸分析,這樣得出的結(jié)果很精確,但是這樣前處理工作量大(螺栓和螺紋用六面體網(wǎng)格建模)、計算量大(接觸收斂困難),如圖為某結(jié)構(gòu)帶螺紋螺栓和連接件模型(圖1)和計算得出的結(jié)果(圖2):

圖1 某結(jié)構(gòu)帶螺紋螺栓和連接件模型

圖2 計算結(jié)果

B.不帶螺紋的實體螺栓

運用大型通用非線性有限元分析軟件ABAQUS,只需要在接觸定義中設(shè)置跟實際螺紋形狀有關(guān)聯(lián)的參數(shù),如牙角、螺距、螺栓小徑等,就可以模擬真實的連接螺栓接觸狀況。既可以得到足夠精確的分析結(jié)果,又節(jié)省了時間專注進行其他的分析設(shè)置。如圖3,為連接螺栓接觸來定義帶螺紋螺栓:

圖3 連接螺栓接觸來定義帶螺紋螺栓

圖4某結(jié)構(gòu)直徑10MM的帶螺紋的連接螺栓接觸壓力分布云圖

C.一些需要考慮的部分

1、螺栓連接的簡化

由于螺紋處的應(yīng)力應(yīng)變不是關(guān)心的重點,因此,為簡化建模,避免收斂困難,在螺釘和螺孔內(nèi)表面之間建立綁定約束(tie)。這樣得到的模型會比實際結(jié)構(gòu)剛硬。

建立綁定約束的兩個面在整個分析過程中都會緊密連接在一起,不會分開,如同一個整體。

Tie綁定約束,Position Tolerance(位置誤差限度)設(shè)為Specifydistance:XXX.

含義:與主面距離小于此限度的從面節(jié)點都會受到綁定約束。對于在位置誤差限度內(nèi)的從面節(jié)點,ABAQUS將調(diào)整其初始坐標,使其與主面的距離為0。注意不要將值設(shè)太大,以免由于調(diào)整從面節(jié)點位置,而造成較差的單元形狀。

2、預緊力的模擬

在ABAQUS中模擬螺釘預緊力的兩種方式:1、施加螺栓載荷(bolt load);2、定義過盈接觸(contact interference)。

1、施加螺栓載荷(bolt load)

可以模擬螺釘?shù)念A緊力和各種均勻預應(yīng)力。定義螺栓載荷時,需要指定螺釘上的一個受力截面。施加螺栓載荷的方式三種:A、Apply force:指定預緊力。B、Adjust length:調(diào)整螺釘長度。C、Fix at current length:保持螺釘當前長度。

注意:螺栓載荷為正值時表示使受力部件縮短;螺栓載荷為負值時表示受力部件伸長。

在做螺栓接觸分析時,可以設(shè)好幾個分析步,已達到平穩(wěn)接觸。在前幾步使用Apply force,在后幾步用Fix at current length。含義:在該分析步的開始,去除螺釘?shù)念A緊力,讓螺釘保持上一步結(jié)束時的長度。在該步分析結(jié)束后,如果有其他外載荷,螺釘長度會發(fā)生變化。

2、定義過盈接觸(contact interference)

過盈配合與載荷類似,無法在初始分析步中定義。

Gradually remove slave node overclosureduring the step(在分析步中逐漸去掉從面節(jié)點的過盈量);Uniformallowable interference(允許的過盈量),在Magnitudeallowable interference后面輸入一個微小的過盈量-0.0001(注意不要忽略負號,負號表示過盈量,正值表示間隙量)。

若使用ABAQUS默認的幅值曲線Ramp,ABAQUS會在分析步開始施加全部的過盈量,然后使其逐漸減少,到分析步結(jié)束時過盈量將值0。這樣在后處理中會看到,在分析步結(jié)束時模型沒有過盈接觸,接觸面上的接觸壓強CPRESS為0,這樣的結(jié)果是不對的。因此,不能使用ABAQUS默認的幅值曲Ramp。

3、接觸分析中不同單元性能的比較:

(1)線性減縮積分單元(C3D8R)和非協(xié)調(diào)單元(C3D8I)都適合于接觸分析,二者得到的位移結(jié)果很相近。使用C3D8R單元可以大大縮短計算時間,但得到的節(jié)點應(yīng)力結(jié)果較差。

(2)如果接觸屬性為“硬”接觸,則不能使用六面體二次單元(C3D20和C3D20R),以及四面體二次單元(C3D10),應(yīng)該盡量使用六面體一階單元。有時可用C3D8I單元(六面體非協(xié)調(diào)模式單元)。

若使用二次的,花費時間多,會出現(xiàn)異常的CPRESS結(jié)果。

(3)使用修正的四面體二次單元(C3D10M),計算時間也大大增加。但如果模型的幾何形狀復雜,無法使用六面體單元網(wǎng)格,可以使用C3D10M單元進行接觸分析。

(4)采用六面體線性完全積分單元(C3D8)或四面體線性單元(C3D4)得到的分析結(jié)果都很差,因此盡量不要在模型中使用這兩種單元。

4、結(jié)論

采用不同的單元類型進行小滑移接觸分析,比較其結(jié)果,可以得出以下結(jié)論。

(1)線性減縮積分單元(C3D8R)和非協(xié)調(diào)單元(C3D8I)都適合與接觸分析,二者得到的位移結(jié)果很相近。使用C3D8R單元大大縮短計算時間,但得到的節(jié)點應(yīng)力結(jié)果較差。

(2)如果接觸屬性為默認的“硬接觸”(hardcontact),則不能使用六面體二次單元(C3D20和C3D20R),以及四面體二次單元(C3D10)。使用六面體二次減縮單元,會看到異常的 CPRESS結(jié)果,花費的CPU時間為907s ,而使用C3D8R單元時,CPU時間為53s.

(3)使用修正的四面體二次單元(C3D10M),計算時間也大大增加。但如果模型的幾何形狀復雜,無法使用六面體單元,可以使用C3D10M單元進行接觸分析。

(4)采用六面體線性完全積分單元(C3D8)或四面體線性單元(C3D4)得到的分析結(jié)果都很差,因此盡量不要在模型中使用這兩種單元。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學成才

編輯

ABAQUS螺栓接觸分析

A.帶螺紋的實體螺栓

B.不帶螺紋的實體螺栓