Abaqus螺栓加载教程 | 加载、预紧和连接

螺栓连接无处不在，从汽车、机械到建筑物、桥梁，随处可见。但螺栓的作用不仅仅是固定部件。它们承受载荷，在拉力作用下会伸长，甚至可能发生断裂。因此，在模拟螺栓连接时，我们必须确保模拟的准确性。.

Abaqus 提供了多种螺栓建模方法，尤其是在预紧力方面。预紧力是指拧紧螺栓后使部件保持连接状态的力。它会影响连接件的性能、刚度以及分离或失效的概率。在仿真中忽略预紧力会导致结果不准确。.

在本篇博客中，我们将探讨如何在 Abaqus 中施加螺栓载荷。我们将介绍不同的建模方法，从简单的绑定约束到详细的实体螺栓建模。您还将学习如何使用力或收缩来施加预紧力，以及何时使用每种方法。本指南将帮助您在 Abaqus 螺栓连接中更准确地模拟螺栓行为。.

Abaqus螺栓载荷教程：简化Abaqus中的螺栓建模

• 4.33

类别： 会员资格包含

螺栓和连接件在各种工程结构（包括建筑物、桥梁和机械）的稳定性和结构完整性方面发挥着至关重要的作用。螺栓用于紧固或连接不同的部件，从而传递荷载并确保荷载路径的连续性。连接件连接结构元件，使其能够在保持整体稳定性的同时移动和变形。正确设计和选择螺栓和连接件对于确保结构的安全性和耐久性至关重要。选择螺栓和连接件时，必须考虑荷载类型、所用材料和环境条件等因素。螺栓和连接件的设计和安装不当可能导致结构发生灾难性破坏。在本课程中，您将学习如何对螺栓和连接件进行建模，并通过实际示例模拟连接件和其他部件的失效情况。.

 

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A Quick Overview of Bolt and Abaqus Bolt Modeling

Bolted joints are everywhere, in buildings, cars, machines, and bridges. They connect parts. They hold things together. But they don’t just sit there. They carry loads. They stretch. Sometimes they even fail.

这就是螺栓建模的重要性所在。在实际应用中，螺栓必须承受拉力、剪切力或扭转力等作用力。在仿真中，我们必须精确地模拟这些作用力。如果过于简化，结果可能会产生误导。而这正是 Abaqus 螺栓载荷功能发挥作用的地方。.

在 Abaqus 中，我们可以用多种方式模拟螺栓。我们可以施加预紧力来模拟拧紧过程。我们可以定义螺栓与其周围板材的相互作用方式。我们甚至可以将螺栓建模为完整的 3D 零件或简化的连接器。每种方法都适用于不同的目标。.

图 1：螺栓连接示例 [参考]

为什么螺栓模拟很重要？

• 螺栓会影响接头的刚度。.
• 它们控制着载荷如何从一个部件传递到另一个部件。.
• 在某些情况下，例如疲劳，即使载荷看起来很小，螺栓也会随着时间的推移而失效。.

So, understanding Abaqus bolt connection methods helps us model reality better. Whether you’re analyzing a steel frame or a car suspension, simulating bolts the right way makes a difference.

What is Bolt Pretension (Preload)?

在现实生活中，当我们拧紧螺栓时，螺栓会被拉伸。这种拉伸会产生一种力，使连接部件保持在一起。这种力被称为预紧力或预载荷。.

• 例子：

Let’s say you’re changing a car tire. You put the wrench on a wheel bolt, then use your leg to push it down hard. You might hear a sharp sound as the bolt stretches slightly. That noise isn’t the bolt breaking; it’s the sound of tension building inside the bolt as it stretches and tightens. What you’re doing here is applying preload. You’re pulling the bolt, creating internal force that clamps the wheel to the hub. This force helps keep the wheel secure while driving.

图2：螺栓在施加预紧力（预载荷）前后的对比图

Why Apply Preload?

拧紧螺栓时，螺栓会被拉伸。这种拉伸会在螺栓中产生拉力，从而将连接的部件拉紧。同时，它还会产生夹紧力，使连接件紧密贴合。这就是预紧力。.

预紧力就像一个内部夹紧装置，它能保持连接紧密。即使外部载荷试图使钢板分离，也必须首先克服预紧力。这意味着螺栓在松动或滑动之前可以承受更大的阻力。这就是预紧力如此重要的原因。.

在仿真中，施加 Abaqus 螺栓载荷可以重现这一重要效应。如果没有这一效应，Abaqus 螺栓连接可能会表现得过软，或者过早分离，从而导致错误的应力或失效预测。.

How to Specify Bolt Preload?

预载荷通常使用以下方法计算： 基于扭矩的公式。.

如果使用扭矩扳手拧紧螺栓，请使用：

在哪里：

• F_p 预紧力（N）
• T 为拧紧扭矩（N·m）
• K 为扭矩系数（约为 0.2 至 0.3，取决于润滑情况）。
• d 为螺栓标称直径（米）

基于材料的目标预加载

Some standards suggest using 75%–90% of the bolt’s yield strength to avoid over-tightening.

在哪里：

•  是螺栓的拉应力面积
•  是螺栓材料的屈服强度

在Abaqus中，预紧力的施加方法多种多样，具体取决于螺栓和螺栓连接的建模类型。因此，在接下来的章节中，我们将重点讨论在Abaqus中对螺栓连接进行建模时如何施加预紧力。.

Abaqus螺栓载荷教程：简化Abaqus中的螺栓建模

• 4.33

类别： 会员资格包含

螺栓和连接件在各种工程结构（包括建筑物、桥梁和机械）的稳定性和结构完整性方面发挥着至关重要的作用。螺栓用于紧固或连接不同的部件，从而传递荷载并确保荷载路径的连续性。连接件连接结构元件，使其能够在保持整体稳定性的同时移动和变形。正确设计和选择螺栓和连接件对于确保结构的安全性和耐久性至关重要。选择螺栓和连接件时，必须考虑荷载类型、所用材料和环境条件等因素。螺栓和连接件的设计和安装不当可能导致结构发生灾难性破坏。在本课程中，您将学习如何对螺栓和连接件进行建模，并通过实际示例模拟连接件和其他部件的失效情况。.

 

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Common Approaches to Abaqus Bolt Connection Modeling

在 Abaqus 中，螺栓建模的方法不止一种。选择哪种方法取决于您的目标：速度、精度还是故障预测。我们可以将螺栓建模方法分为简化方法和详细方法。让我们一步一步地了解每一种方法。.

Not Preloaded Bolt Modelling

这种类型的连接器适合只需要将零件固定在一起而无需模拟拧紧的情况。它速度更快、操作更简便，但缺乏真正的预紧力。.

Tie Connection

可以把这想象成把两个表面焊接在一起。你需要在孔表面或板之间使用绑定约束。.

• 简单快捷
• 无需螺栓几何形状
• 不允许分离或预加载

适用情况： 你不在乎螺栓的力或分离度，只在乎刚性连接。.

This method is often used when you’re not analyzing the bolt itself but just want to connect two parts firmly in your model. It’s great for early design stages or when you’re testing load paths in a large assembly. But keep in mind it doesn’t simulate real bolt behavior, so you can’t capture loosening, gapping, or clamping effects.

图 3：连接节点的拉杆连接示例

从上图中可以看出，板面之间的连接约束是有效的，螺栓在连接中不起作用。.

Rigid Beam Element Connector

该方法使用元件连接器将连接处的两个参考点或表面连接起来。.

• 连接器代表螺栓刚度
• 不模拟几何形状或预载荷
• 能够传递力和力矩

This method is like placing a strong rod between parts. It can simulate the stiffness of a bolt, but it doesn’t include the contact between the bolt head, nut, and plates. It’s useful when you’re more interested in the global response of the assembly than the exact bolt stress. But again, no preload and no contact effects are captured. Generally, element connectors help us reduce simulation cost and make it easier for users by modelling simply.

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：耦合孔与控制点

这种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）

如图所示，现在这些孔与参考点连接起来了。.

图 6：与参考点进行电影化耦合的孔

在交互模块的下一步中，用户必须使用连接器构建器在各点之间构建连接器。.

图 7：在两个控制器点之间建立连接器

在上图中，首先，用户必须创建坐标系并选择与连接器平行的轴线。其次，用户必须选择连接器截面。如果该截面不存在，则必须创建。在下图中，显示的是选定的“连接类别”为“组装/复杂”，“连接类型”为“梁”。.

图 8：创建连接器部分

最后，在下一张图中，您可以看到参考点之间有一个梁单元连接器，它代表螺栓连接。.

图 9：梁单元连接器典型螺栓连接

Preloaded Bolt Modelling

在这里，我们可以模拟真实的螺栓拧紧过程；预紧、夹紧，有时甚至包括失效。.

Translator Element Connector

它使用一个连接元件，类似于轴向平移器，沿螺栓轴线作用。.

• 预载荷以力或长度的形式施加
• 没有详细的螺栓形状
• 比实体螺栓建模速度更快

你可以把它想象成一个模拟螺栓行为的数字弹簧。Abaqus 允许你施加螺栓载荷（可以是力或轴向收缩）来模拟拧紧过程。它能很好地捕捉预紧效应，尤其是在大型模型中。但由于它没有模拟与板材的接触，因此可能会忽略局部应力集中和连接摩擦。.

这种方法与梁单元连接器非常相似。所有仿真步骤都相同，唯一的区别在于创建连接器部分时，连接类型必须选择“转换器”。这样模型才能施加预载荷。.

图 10：选择合适的连接类型

现在，要施加预紧力，用户需要在负载模块中选择连接器力。.

图 11：负载模块中连接器力的选择

最后一步，用户可以导入预加载值（如下图所示），将预加载应用于转换器元素连接器。.

图 12：对转换器元件连接器施加适当的预紧力

Solid Bolt

这是最详细、最真实的模拟方法。您需要使用三维实体单元对整个螺栓进行建模，在划分好的横截面上施加 Abaqus 螺栓载荷，并在螺栓头和螺母区域定义接触。.

• 包括螺栓形状、预紧力和接触情况
• 能够捕捉失效、分离和应力峰值
• 需要网状结构和接触装置

If you’re analyzing bolt strength, local stress, or failure modes, this is the way to go. It’s slower and requires more setup, but the accuracy is worth it. It’s especially useful in dynamic studies, such as impact, where bolt failure simulation is critical.

使用此方法的第一步是在设置螺栓与表面之间的交互之后，在载荷模块中施加螺栓载荷。.

图 13：在载荷模块中选择“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”选项来创建一个用于施加预紧力的表面。.

图 14：创建用于施加预载荷的表面

现在该施加载荷了。如下图所示，我们可以使用两种方法：施加预紧力或调整长度。在此步骤中，请务必启用“部件级预紧”选项。.

图 15：在 Abaqus 中施加螺栓载荷

最后，经过这些步骤后，您可以在下一张图中看到螺栓中施加了预紧力。.

图 16：Abaqus 中的预紧螺栓

Abaqus螺栓载荷教程：简化Abaqus中的螺栓建模

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类别： 会员资格包含

螺栓和连接件在各种工程结构（包括建筑物、桥梁和机械）的稳定性和结构完整性方面发挥着至关重要的作用。螺栓用于紧固或连接不同的部件，从而传递荷载并确保荷载路径的连续性。连接件连接结构元件，使其能够在保持整体稳定性的同时移动和变形。正确设计和选择螺栓和连接件对于确保结构的安全性和耐久性至关重要。选择螺栓和连接件时，必须考虑荷载类型、所用材料和环境条件等因素。螺栓和连接件的设计和安装不当可能导致结构发生灾难性破坏。在本课程中，您将学习如何对螺栓和连接件进行建模，并通过实际示例模拟连接件和其他部件的失效情况。.

 

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