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Abaqus螺栓有限元分析

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 11所示。同样的方式，我们建立螺母的3D模型nut，如图 12所示。

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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。
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 15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 13所示。同样，给螺母nut赋予截面属性。

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图 Error! No text of specified style in document.4

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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 16所示。

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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。

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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 112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 113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 114所示。

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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->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 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。

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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 119所示。为了观察更为方便，我们将云图剖开，如图 120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。

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表 1
标号
A
B
C
应力(MPa)
319.477
1029.56
1103.2

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