Abaqus螺栓有限元分析.docx
螺栓联接接触问题有限元分析
螺栓联接接触问题有限元分析作者：王熙婷来源：《工业技术创新》2017年第06期摘要：研究螺栓联接结构形式复杂接触的承载特性，对比分析螺栓简化前后连接件受力和位移变化情况。
在三维图形设计软件Pro/E中构建模型，导入有限元软件ABAQUS中进行模拟仿真。
螺栓联接装配体连接件在与螺栓接触的位置易发生应力集中，且应力分布梯度变化较大；在远离螺栓联接的位置，简化前后应力分布相差不大；螺栓联接简化前后位移变形分布云图基本相同。
关键词：螺栓联接；接触问题；有限元分析；Pro/E；ABAQUS中图分类号：O343.3 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2017） 06-011-04工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.06.003引言螺栓联接是机械装配体中应用最广的一种结构形式，通过螺栓将两个连接件连接在一起，形成一个整体传递力与扭矩。
对螺栓联接的承载特性进行研究，能够更好地指导螺栓联接结构形式的智能制造。
ABAQUS是功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟非常庞大复杂的模型，处理高度非线性问题。
ABAQUS不但可以进行单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以完成系统级的分析和研究[1]。
对整个螺栓联接装配体进行有限元分析时，为节约计算资源，常常简化模型，将两个连接件接触面Tie在一起，这对模拟分析结果必然产生影响。
本文采用ABAQUS对比螺栓简化前后连接件受力和挠度变化情况，以及确定使用简化分析模型的前提条件，为螺栓联接结构形式的应用提供理论依据。
1 模型构建在任何一个大型设备中，螺栓联接是其必然存在的结构形式。
本文采用两个螺栓联接两块连接板的情形作为分析对象，其中一块连接板作为固定板，另一块连接板作为加载板。
该装配体在三维图形设计软件Pro/E中建立，完成后的模型如图1所示。
2 有限元模拟2.1 几何模型转化在Pro/E中建立的螺栓联接装配体几何模型，通过中间软件UG NX对细小结构进行修改和简化，保存文件为中间过渡格式.step，使修改后的模型能够满足进行有限元模拟的要求。
abaqus螺栓约束
abaqus螺栓约束在工程领域中，使用Abaqus软件进行有限元分析是一种常见的方法。
在进行这类分析时，经常需要考虑螺栓约束的问题。
螺栓约束是指通过螺栓将不同部件或组件连接在一起，并使其在加载下保持稳定。
在Abaqus中，我们可以使用约束边界条件来模拟螺栓约束。
本文将介绍使用Abaqus进行螺栓约束的方法。
首先，我们需要创建一个模型来模拟我们的系统。
在Abaqus中，模型由几何、材料和边界条件组成。
为了模拟螺栓约束，我们需要将螺栓和螺母分别建模为零件，并将它们与主要部件连接起来。
接下来，我们可以使用Abaqus的装配功能将所有零件组装成一个完整的系统。
在装配过程中，我们需要确保螺栓和螺母与主要部件之间有正确的约束关系。
可以使用Abaqus提供的约束工具来定义螺栓与主要部件之间的连接方式，例如固定、绑定等。
完成约束后，我们需要定义加载条件。
在实际应用中，螺栓约束通常是在承受一定载荷的情况下进行的。
可以使用Abaqus的载荷工具来定义加载条件，例如施加预载、施加力或施加位移等。
在进行有限元分析之前，我们还需要定义材料属性和网格。
对于螺栓和螺母材料，我们可以选择合适的材料模型，并根据实际材料特性定义相应的材料参数。
对于主要部件，我们需要对其进行合适的网格划分以确保精确的分析结果。
完成以上准备工作后，我们可以开始进行有限元分析。
可以使用Abaqus的求解器对整个系统进行求解。
在求解过程中，Abaqus会根据定义的约束、加载条件和材料属性计算系统在加载下的应力、应变和变形等结果。
在分析完成后，我们可以使用Abaqus的后处理工具来显示和评估计算结果。
可以查看模型中各部件的应力和变形分布情况，并进行必要的结果分析和验证。
总结而言，使用Abaqus进行螺栓约束的有限元分析是一种有效的方法。
在分析过程中，我们需要合理地设置约束、加载条件和材料属性，并且仔细分析计算结果。
通过合理使用Abaqus软件，我们可以更好地理解系统在螺栓约束下的工作原理，并对设计进行优化和改进。
全面介绍ABAQUS有限元分析
全面介绍ABAQUS有限元分析有限元分析软件ABAQUS介绍（一）数值模拟方法介绍一：数值模拟也叫计算机模拟。
它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的，节约时间、成本。
数值模拟的基本步骤：（1）建立数学模型--基本守恒方程（2）建立物理问题模型--前处理建模（3）离散方程--选择离散方法和格式（4）求解方程--选择求解算法（5）编制、调试程序（6）研究结果--后处理（7）改进模型或提出指导方案使用软件分析的优势二、有限元软件的介绍三种数值分析方法：有限元方法，有限差分，有限体积方法有限元分析是对结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。
有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司。
有限元软件的对比ANSYS是商业化比较早的一个软件，目前公司收购了很多其他软件在旗下。
ABAQUS专注结构分析，目前没有流体模块。
MSC是比较老（1963）的一款软件目前更新速度比较慢。
ADINA是在同一体系下开发有结构、流体、热分析的一款软件，功能强大但进入中国时间比较晚市场还没有完全铺开。
结构分析能力排名：ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS流体分析能力排名：ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS耦合分析能力排名：ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS性价比排名：ADINA，ABAQUS、ANSYS、MSCANSYS与ABAQUS的对比应用领域：1. ANSYS软件注重应用领域的拓展，目前已覆盖流体、电磁场和多物理场耦合等十分广泛的研究领域。
2. ABAQUS则集中于结构力学和相关领域研究，致力于解决该领域的深层次实际问题。
其强大的非线性分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可求解器功能（1）对于常规的线性问题，两种软件都可以较好的解决，在模型规模限制、计算流程、计算时间等方面都较为接近。
(完整)螺栓连接的有限元分析
1 概述螺栓是机载设备设计中常用的联接件之一.其具有结构简单,拆装方便,调整容易等优点,被广泛应用于航空、航天、汽车以及各种工程结构之中。
在航空机载环境下，由于振动冲击的影响,设备往往产生较大的过载，对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。
螺栓是否满足强度要求，关系到机载设备的稳定性和安全性.传统力学的解析方法对螺栓进行强度校核，主要是运用力的分解和平移原理，解力学平衡方程，借助理论和经验公式，理想化和公式化.没有考虑到连接部件整体性、力的传递途径、部件的局部细节(如应力集中、应力分布)等等。
通过有限元法，整体建模，局部细化，可以弥补传统力学解析的缺陷.用有限元分析软件MSC。
Patran/MSC。
Nastran提供的特殊单元来模拟螺栓连接，过程更方便，计算更精确,结果更可靠。
因此，有限元在螺栓强度校核中的应用越来越广泛.2 有限元模型的建立对于螺栓的模拟，有多种模拟方法，如多点约束单元法和梁元法等。
多点约束单元法(MPC)即采用特殊单元RBE2来模拟螺栓连接.在螺栓连接处，设置其中一节点为从节点(Dependent），另外一个节点为主节点(Independent)。
主从节点之间位移约束关系使得从节点跟随主节点位移变化。
比例因子选为1，使从节点和主节点位移变化协调一致，从而模拟实际工作状态下，螺栓对法兰的连接紧固作用.梁元法模拟即采用两节点梁单元Beam,其能承受拉伸、剪切、扭转。
通过参数设置，使梁元与螺栓几何属性一致.本文分别用算例来说明这两种方法的可行性。
2.1 几何模型如图1所示组合装配体，底部约束。
两圆筒连接法兰通过8颗螺栓固定.端面受联合载荷作用。
图1 三维几何模型2。
2 单元及网格抽取圆筒壁中性面建模，采用四节点壳元(shell），设置壳元厚度等于实际壁厚。
法兰处的过渡圆弧处网格节点设置密一些，其它可以相对稀疏。
在法兰上下两节点之间建立多点约束单元（RBE2，算例1，图3）或梁元(Beam, 算例2,图4)来模拟该位置处的螺栓连接。
基于ABAQUS螺栓接头的接触有限元分析
法兰密封是由法兰和垫片组成的一种静密封 结构形式 。螺栓法兰接头广泛应用于石油化工设 备 、动力装置以及其它设备中的管道连接 。工程实 践证明 ,法兰强度的破坏极为罕见 ,而泄漏则是连 接失效的主要形式 。所以法兰的密封性能也成为 研究的重点 。
根据长期的使用经验 ,大多数规范中都制订了 法兰接头的标准计算方法 。但是由于法兰接头几 何形状和载荷的复杂性及垫片行为的非线性 ,规范 无法提供有关垫片的详细行为信息 。如美国锅炉 及压力容器规范 (ASM E 规范) 仅以弹性理论为基
计算结果表明 , 随着载荷工况的变化 , 密封带 的宽度会发生变化 。当管道内施加内压后 ,相当于 对法兰产生了一个沿轴向的拉力 ,减小了螺栓预紧
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图 5 随直径变化的接触压强分布曲线 Fig. 5 Contact pressure prof ile
图 6 接触压强沿直径方向变化规律 Fig. 6 Variation pattern of contact pressure
图 4 随载荷工况变化的接触压强分布图 Fig. 4 Pressure prof ile under condition of variable load
分析分为 4 个载荷步完成 ,各载荷步工况见表 2。
表 2 载荷工况 Table 2 Load condition
载荷步
STEP 1 SEEP 2 SEEP 3 SEEP 4
工况
施加螺栓预紧力 施加管道内压 撤除管道内压 撤除螺栓预紧力
2 结果分析
211 密封性分析 压力容器的密封是由法兰面与垫片的相互挤
ABAQUS有限元分析方法
ABAQUS有限元分析方法有限元分析是一种将连续问题离散化成有限数量的元素，通过求解这些离散化的元素的行为，来推断整个问题的行为的数值分析方法。
ABAQUS就是一种基于有限元方法的求解器，它使用了计算机模拟技术，可以求解各种工程问题，如结构力学、热力学、流体力学等。
建模是有限元分析的第一步，ABAQUS提供了多种建模技术和工具来帮助用户创建复杂的几何模型。
用户可以使用ABAQUS提供的几何建模工具来创建三维模型，也可以导入其他计算机辅助设计（CAD）软件生成的模型。
在建模过程中，用户还可以定义材料属性、加载条件和约束等。
一旦建立了几何模型，用户就可以定义有限元网格。
有限元网格是将模型离散化为有限数量的单元的过程。
ABAQUS提供了多种类型的单元，如线性和非线性、静力学和动力学等。
用户可以根据具体的问题选择适当的单元类型。
通常，使用更精细的网格可以提高解的精度，但也会增加计算时间和内存需求。
在模型离散化后，用户需要定义材料特性和加载条件。
ABAQUS支持多种材料模型，如线性弹性、非线性材料、塑性材料等。
用户可以根据材料的真实性质选择适当的材料模型，并提供相关参数。
加载条件是指施加到模型上的外部载荷或约束。
用户可以定义各种加载条件，如受力、温度、位移约束等。
建立好模型后，用户需要选择适当的求解方法。
ABAQUS提供了多种求解方法，如直接方法、迭代方法、稳定方法等。
用户可以根据问题的特点选择适合的求解方法，并提供求解的控制参数。
完成求解后，用户可以对结果进行后处理。
ABAQUS提供了丰富的后处理工具，可以可视化模型的应力、应变、位移等结果。
用户可以进一步分析和评估模型的响应。
在使用ABAQUS进行有限元分析时，一些常见的技巧和注意事项包括：-使用合适的网格：细化网格可以提高解的精度，但需要更多的计算资源。
-使用合适的材料模型：根据材料的真实性质选择适当的材料模型，并提供正确的参数。
-检查模型：在求解之前，检查模型的几何和网格是否正确，以及加载条件是否合理。
abaqus有限元分析报告
Abaqus有限元分析报告1. 简介在工程领域中，有限元分析是一种常见的数值计算方法，用于解决结构力学问题。
Abaqus是一种常用的有限元分析软件，它提供了强大的求解能力和丰富的后处理功能。
本文档将介绍一个基于Abaqus的有限元分析报告。
2. 模型建立在开始分析之前，我们首先需要建立一个合适的模型。
模型的建立通常包括几何建模、材料属性定义、边界条件设置等步骤。
在本次分析中，我们将以一个简单的弹性力学问题为例进行说明。
2.1 几何建模首先，我们需要根据实际情况绘制结构的几何形状。
Abaqus提供了丰富的建模工具，可以绘制复杂的几何形状。
在本次分析中，我们将使用一个简单的矩形构件作为示例。
*Geometry*Part, name=RectangularPart*Rectangle, name=RectangleProfile, x1=0, y1=0, x2=10, y2=5*End Part2.2 材料属性定义在有限元分析中，材料的力学性质对结果具有重要影响。
在Abaqus中，我们可以通过定义材料属性来描述材料的力学性质。
在本次分析中，我们假设材料为线性弹性材料。
*Material, name=ElasticMaterial*Elastic210000, 0.32.3 边界条件设置边界条件的设置是有限元分析中的关键步骤之一。
它描述了结构在哪些部位受到限制，哪些部位可以自由变形。
在本次分析中，我们将在矩形构件的两侧设置固定边界条件。
*BoundaryRectangleProfile.Left, 1, 1RectangleProfile.Right, 1, 13. 求解过程在完成模型建立后，我们可以开始进行有限元分析的求解过程。
Abaqus提供了多种求解器，可以选择适合问题的求解算法和计算资源。
3.1 求解器选择在Abaqus中，我们可以通过选择合适的求解器来进行求解。
常见的求解器包括静态求解器、动态求解器等。
ABAQUS有限元软件基本操作说明
Abaqus仿真分析操作说明1.单位一致性(未列出参照国际单位)长度：米(m)力：牛(N)质量：千克(kg)时间：秒(s)强度(压力)：帕(Pa)能量：焦耳(J)密度：千克/立方米(kg/m3)加速度：米/平方秒(m/s2)2.模型(part)的建立首先用三维绘图软件(CAD、PROE、SOLIDEDGE、SOLIDWORKS等)将模型画好。
3.模型(part)导入ABAQUS软件①将模型另存为sat或stp(step)，示意图如下;文件名最好存为英文字母。
②模型另存为sat或stp(step)格式后，到“选项”进行设置，设置完成后将模型另存好(存放位置自设，能找到就好)，示意图如下;③打开已经安装好的ABAQUS 软件，选中左上角“文件→导入→部件”，示意图如下;4. 模型(part)的参数设置和定义导出模型单位由mm 改为m 。
选中后隐藏的部件不能导入ABAQUS 软件。
版本设为ABAQUS 软件版本。
双击所有参数均为默认，确定就好。
到上面这一步骤，模型导入已经完成，接下来就是一些参数的设置和分析对象的定义。
具体的分析步骤按照下图所示一步一步完成即可。
(1)“属性”步完成材料的定义。
具体参数设置见下图：(1)(2)(3)(4)(5)(7)(6)1．双击“创建材料”2．自定义名称4．在“通用”下双击“密度”进行参数设置5．输入材料密度，单位kg/m3。
6．在“力学”下双击“弹性”进行参数设置。
7．输入材料杨氏模量(Pa)和泊松比(无单位)，单击“确定”完成参数设置。
8．双击“创建截面”，“类别”和“类型”默认。
9．单击“继续”。
10．参数默认，单击“确定”。
11．双击“指定截面”。
(2)“装配”步完成分析对象的选定。
具体操作见下图：12．单击模型指定截面。
13．单击“完成”，完成截面指定。
14．模型变绿，指定截面成功；同时“属性”步参数定义结束。
1．切换到下一步(装配)。
3．选中要分析的部件，单击“确定”，完成“装配”步。
Abaqus螺栓有限元分析(汇编)
将截面属性赋予模型。选择Assign->Section，选择Bolt模型，然后将刚刚建立的截面属性赋予它。如图13所示。同样，给螺母nut赋予截面属性。
1.
1.1.
1.2.
如果将Pro/E中的3D造型直接导入Abaqus中进行计算，则会出现裂纹缝隙无法修补，给后期的有限元分析过程造成不必要的麻烦，因此，在Abaqs中进行计算之前，对原来的零件模型进行一些简化和修整。
A.法兰部分不是分析研究的重点，因此将其简化掉；
B.经计算，M24×3的螺纹的升角很小，在度，因此可以假设螺旋升角为0；
图112
图113
图114
第六步，定义接触面。接触面是Abaqus分析中非常重要的一环。进入Abaqus中的Interaction模块，先在Tools->Surface菜单中设置我们要定义的两个相互接触的面。如图115所示，螺栓上的接触面主要是螺纹的下表面，按着Shift键依次将其选中。如图116所示，螺母上的接触面主要是螺纹的上表面，同样按着Shift键依次将其选中。设置接触面的属性。选择Interaction->Manager->Creat中创建接触面，类型选择面和面接触，选择Mechanical->TangentialBehavior，输入摩擦系数为0.14，选择Mechanical->NormalBehavior，接受默认设置，最终设置如图117所示。选择Interaction->Creat，创建螺栓和螺母之间的接触，接触，类型选择刚刚定义的接触类型，设置结果如图118所示。
Abaqus螺栓有限元分析报告
图16
第四步，对模型进行网格划分。进入Abaqus中的Mesh模块，然后选择Bolt零件，使用按边布种的方式对其进行布种，布种结果如图17所示。在菜单Mesh->Control中进行如图18所示的设置使用自由网格划分，其余设置使用默认。在菜单Mesh->Element type中选用如图19所示的设置。按下Mesh图标，对工件进行网格划分，最终的结果如图110所示。同样的方式对螺母模型nut进行网格划分，最终结果见图111所示。
图119
图120
表1
标号
A
B
C
应力(MPa)
319.477
1029.56
1103.2
1.
1.1.
1.2.
如果将Pro/E中的3D造型直接导入Abaqus中进行计算，则会出现裂纹缝隙无法修补，给后期的有限元分析过程造成不必要的麻烦，因此，在Abaqs中进行计算之前，对原来的零件模型进行一些简化和修整。
A.法兰部分不是分析研究的重点，因此将其简化掉；
B.经计算，M24×3的螺纹的升角很小，在度，因此可以假设螺旋升角为0；
C.忽略螺栓和螺母的圆角等细节；
1.3.
查阅机械设计手册，得到牙型如下图所示，在Abaqus中按照下图所示创建出3D模型，如图11所示。同样的方式，我们建立螺母的3D模型nut，如图12所示。
图11
图12
建立材料属性并将其赋予模型。在Abaqus的Property模块中，选择Material->Manager->Create，创建一个名为Bolt&Nut的新材料，首先设置其弹性系数。在Mechanical->Elastic中设置其杨氏模量为193000Mpa，设置其泊松比为0.3，如图14所示。
基于ABAQUS螺栓接头的接触有限元分析
法兰 密封是 由法 兰 和 垫 片组 成 的一 种 静 密封 结构形 式 。螺栓 法 兰 接 头广 泛 应 用 于 石 油 化工 设
础 ， 用平 均垫 片应 力为计 算标 准 。然而 在预 紧和 采 载荷 工 况下 ， 片应 力 沿 着 表 面 是变 化 的 ， 用 平 垫 采 均 垫片 应力 评估 接头 的行 为将产 生 问题 。因此 ， 有
Ａ ａｙ ｉ ｏ ｅ ｌ ｇＰ ｒｏ ｍａ ｃ ｆ ｌｎ ｅＣｏ ｐ ｉ ｇＢ ｓｄ ｏ Ａ ｎ ｌｓ ｆ ａｉ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅｏ ａ ｇ ｕ ｌ ａ ｅ ｎ ＡＢ ＱＵＳ ｓ Ｓ ｎ Ｆ ｎ
Ｚ ＨＯＵ ｈ— ｎ Ｚ ｉ ｇ，Ｆ ｉ ｒ ＥＮＧ ｉｎ ｆｎ Ｊａ —ｅ ，ＧＵ ｕ — ｉｏ Ｃｈ ｎ ｘａ
周 芝庭 ，冯建 芬 ，谷 春 笑
（ 南 大 学 机 械 工 程 学 院 ， 苏 南 京 东 江 ２０９ ） １ ０ ６
摘
要 ： 栓 接 头 是 一 种 广 泛 应 用 的 管 道 连 接 方式 。工 程实 践 证 明 ， 兰 强 度 的破 坏 极 为罕 见 ， 泄 漏 则 是 连 接 螺 法 而
（ｏｔｅ ｔ ｎ ｅ ｉ ， ａ ｉ １０６ Ｃ ｉ ） Ｓｕ ａ ｉ ｒｔ Ｎ ｍｎ ２０９ ， ｈ ａ ｈ ｓＵ ｖ ｓｙ ｇ ｎ
Ａ ｓ ａｔ Ｆａ ｇ ｏｐｉｇｉ ａ ｉｄｏ ｄｌ ｕｅ ｕ ｌ ｇｍｅｈｄ ｎｔｅｐａｔ ａ ｅｇ ｅｒ ｇｐｏｅｔ ｔｓｐｏ ｅ ｂｔ ｃ： ｌ ｅ ｕ ｌ ｎ ｆ ｅ ｓｄｃ ｐｉ ｔｏ ．Ｉ ｈ ｒｃｉ ｌ ｎ ｉ ｅｉ ｒｊ ，ｉｉ ｒｖｄ ｒ ｎ ｃ ｎ ｓ ｋ ｗｉ ｙ ｏ ｎ ｃ ｎ ｎ ｃ
失效的主要形式 ， 因此 法 兰 的密 封 性 能成 为研 究 的重 点 。采 用 接 触 有 限元 方 法 ， 算 了螺 栓 、 兰 和 垫 片 三 者 之 计 法
基于Abaqus的木结构螺栓节点刚度有限元分析
ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓ
图 １ 节点外观 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｈａｐｅ
１ 有限元模型的建立
１．１ 几何模型
分析模型源于木结构网壳，两端胶合木杆件 采用带有耳板的核心钢管螺栓节点连接。本文在 前期试验研究的基础上，建立对应的有限元模型， 分析试件跨中位置连接节点的转动刚度。几何模 型包括木杆件以及钢填板螺栓节点两部分，其中 木杆 件 截 面 尺 寸 采 用 ５０ｍｍ ×１００ｍｍ，长 度 ７１０ｍｍ；钢填板螺栓节点由核心区的钢管与焊接 ３ｍｍ耳板组成，耳板作为木杆件端部连接的钢填 板，结合 Ｍ６，８．８级普通螺栓连接，钢管采用 Ｄ８３ ×５，与木杆件同高。考虑单列和双列螺栓的两种 布置情况，连接节点分别定义为 Ｊ１、Ｊ２，连接节点 如图 １所示。采用两类节点连接的试件，分别定 义为试件 ＪＤ１、ＪＤ２，完整试件尺寸见图 ２。
第 ３５卷第 ４期 ２０１９年 ８月
结 构 工 程 师 ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓ
Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１９
基于 Ａｂａｑｕｓ的木结构螺栓节点刚度有限元分析
孙小鸾 刘伟庆 袁盛林 陆伟东
（南京工业大学土木工程学院，南京 ２１０００９）
摘 要 为分析木结构中对螺栓节点刚度的主要影响因素，首先基于 Ａｂａｑｕｓ软件针对试验节点建立有 限元模型，考虑木材的材料非线性、装配体间接触对、边界约束条件设置等关键问题，对比发现有限元分 析方法是可行的。在此基础上，扩充模型参数，进一步分析螺栓直径与侧材厚度比值、螺孔与孔壁间隙、 节点安装偏差以及螺栓的预紧力对木结构螺栓节点刚度的影响，研究成果可为螺栓节点应用于木结构 中提供技术参考。 关键词 木结构，Ａｂａｑｕｓ，螺栓节点，刚度
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｆｏｒｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓｏｆｔｈｅｂｏｌｔｊｏｉｎｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｗｏｏｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＡｂａｑｕｓ ｓｏｆｔｗａｒｅｆｏｒｔｈｅｔｅｓｔｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ，ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｗｏｏｄａｓｓｅｍｂｌｙａｎｄｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｅｔｔｉｎｇ，ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｔｈｅｅｘｐａｎｓｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｆｕｒｔｈｅｒａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂｏｌｔｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓｒａｔｉｏ，ｓｃｒｅｗｈｏｌｅａｎｄｔｈｅｓｉｄｅｗａｌｌｃｌｅａｒａｎｃｅ，ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｄｅｖｉａｔｉｏｎａｎｄｂｏｌｔｐｒｅｌｏａｄｏｎｂｏｌｔｅｄｊｏｉｎｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｗｏｏｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｂｏｌｔｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｔｉｍｂｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｂａｑｕｓ，ｂｏｌｔｊｏｉｎｔ，ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ
基于ABAQUS的连杆的有限元计算分析
图 4 连杆在装配工况下的第一主应力分布图
图 8 连杆在最大爆发压力工况下的第三主应力分布图
70
现代制造技术与装备
2008 第 6 期 总第 187 期
关键词：连杆 有限元 安全系数 变形
连杆是内燃机的主要运动受力部件之一,它在工作中 所受的各种外载荷复杂且作周期性变化, 机械负荷严重, 工作条件恶劣。因此,连杆的可靠性一直也是人们在内燃 机研究和改进过程中关注的热点。对连杆设计的主要要求 是在保证足够的强度、刚 度 和 稳 定 性 的 下 ，尽 可 能 地 达 到 质 量 轻 、体 积 小 、形 状 合 理 ，并 最 大 限 度 的 减 缓 应 力 集 中 。
[4] 杨连生 内燃机设计 吉林 中国农业机械出版社，1980 226～256.
图 11 连杆的安全系数分布云图
近杆身处，由于高周疲劳需要的理论安全系数应该大于 1.0，考虑到载荷离散产生的 5%的误差和网格质量产生 的 5% 的 误 差 ，实 际 要 求 的 安 全 系 数 应 该 大 于 1.1，因 此 ， 此连杆设计符合要求。
图 6 连杆小头和大头在最大惯性力工况下的第一主应力分布图
图 3 最大爆发压力工况连杆加载及约束位置 3 计算结果的分析
（1）由于连 杆 螺 栓 的 预 紧 力 非 常 大 ，螺 栓 的 受 力 情 况 比较复杂，螺栓在实际 工 作 中 处 于 塑 性 状 态 ，因 此 对 螺 栓 及 连 杆 上 与 螺 栓 接 触 区 域 应 该 用 详 细 模 型 进 行 分 析 ，同 样，杆身与 瓦盖接触齿 的 根 部 也 需 要 详 细 模 型 进 行 分 析 ， 所以暂不考虑此部分的应力分布。
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1.分析过程
1.1.理论分析
1.2.简化过程
如果将Pro/E中的3D造型直接导入Abaqus中进行计算，则会出现裂纹缝隙无法修补，给后期的有限元分析过程造成不必要的麻烦，因此，在Abaqs中进行计算之前，对原来的零件模型进行一些简化和修整。
A.法兰部分不是分析研究的重点，因此将其简化掉；
B.经计算，M24×3的螺纹的升角很小，在度，因此可以假设螺旋升角为0；
C.忽略螺栓和螺母的圆角等细节；
1.3.Abaqus中建模
查阅机械设计手册，得到牙型如下图所示，在Abaqus中按照下图所示创建出3D模型，如图1-1所示。
同样的方式，我们建立螺母的3D模型nut，如图1-2所示。
图1-1
图1-2
建立材料属性并将其赋予模型。
在Abaqus的Property模块中，选择Material->Manager->Create，创建一个名为Bolt&Nut的新材料，首先设置其弹性系数。
在Mechanical->Elastic中设置其杨氏模量为193000Mpa，设置其泊松比为0.3，如图1-4所示。
建立截面。
点击Section->Manager->Creat，建立Solid，Homogeneous的各向同性的截面，选择材料为Bolt&Nut，如图1-5所示。
将截面属性赋予模型。
选择Assign->Section，选择Bolt模型，然后将刚刚建
立的截面属性赋予它。
如图1-3所示。
同样，给螺母nut赋予截面属性。
图1-3
图1-4
图1-5
然后，我们对建立的3D模型进行装配，在Abaqus中的Assembly模块中，我们同时调入两个模型，然后使用Constraint->Coaxial命令和Translate和Instance 命令对模型进行移动，最终的装配结果如图1-6所示。
图1-6
第四步，对模型进行网格划分。
进入Abaqus中的Mesh模块，然后选择Bolt 零件，使用按边布种的方式对其进行布种，布种结果如图1-7所示。
在菜单Mesh->Control中进行如图1-8所示的设置使用自由网格划分，其余设置使用默认。
在菜单Mesh->Element type中选用如图1-9所示的设置。
按下Mesh图标，对工件进行网格划分，最终的结果如图1-10所示。
同样的方式对螺母模型nut 进行网格划分，最终结果见图1-11所示。
图1-7
图1-8
图1-9
图1-10
图1-11
第五步，创建分析步。
在Step模块中，点击Step->Manager图标，创建新的分析步，类型为Static，General，名称为Step-Load，其余使用默认设置即可。
第六步，添加约束条件和载荷。
在Interaction模块中，选择Tools->Surface-Manager，创建如图1-12所示的表面为集合Load_shang和Load_xia，分别用作加载载荷和约束。
选择Load模块，在BC->Manager->Creat中创建约束BC-ENCASTED，选择刚刚定义的Load_xia集合，将6个自由度全部约束，如图1-13所示。
下面我们为模型添加约束，选择Load->Create，进入约束创建界面，选择约束施加的表面为我们之前设定的Load_shang，施加的载荷的类型为Pressure，大小为372.835Mpa，具体设置如图1-14所示。
图1-12
图1-13
图1-14
第六步，定义接触面。
接触面是Abaqus分析中非常重要的一环。
进入Abaqus 中的Interaction模块，先在Tools->Surface菜单中设置我们要定义的两个相互接触的面。
如图1-15所示，螺栓上的接触面主要是螺纹的下表面，按着Shift键依次将其选中。
如图1-16所示，螺母上的接触面主要是螺纹的上表面，同样按着Shift键依次将其选中。
设置接触面的属性。
选择Interaction->Manager->Creat中创建接触面，类型选择面和面接触，选择Mechanical->Tangential Behavior，输入摩擦系数为0.14，选择Mechanical->Normal Behavior，接受默认设置，最终设置如图1-17所示。
选择Interaction->Creat，创建螺栓和螺母之间的接触，接触，类型选择刚刚定义的接触类型，设置结果如图1-18所示。
图1-15
图1-16
图1-17
图1-18
最后，创建任务，接受默认设置，并提交计算。
1.4.仿真结果
将任务提交计算之后，得到的3维应力云图如图1-19所示。
为了观察更为方便，我们将云图剖开，如图1-20所示。
从云图中我们可以看出，螺栓头部与螺杆相接触的地方的应力较大，螺栓的螺纹处，由于截面发生变化也聚集着较大的应力。
由于在仿真过程中，将压力施加在螺母的下表面，因此螺母的下方的变形较大，螺母的下方的几条螺纹的受力较大，顶层的两层螺纹几乎不受力。
使用Abaqus中的工具对题目要求的节点的应力进行测量，结果如表1所示。
图1-19
图1-20
表 1
精品资料。