基于ABAQUS有限元软件的双轴连接结构仿真模型创建过程

现实生活中的常见的真实的连接件结构，依靠大量的紧固件来进行传载，而且在紧固件的周围，应力分布十分复杂，并非传统的简单单轴单向受力的状态，而是大多数为多轴多向受力状态。传统的仿真模型也多围绕单轴加载来开展，并不能真实的模拟紧固件受多轴受力的状态。本文基于ABAQUS有限元分析软件，以搭接结构为例，建立了十字形连接结构的双向拉伸仿真模型。

一、创建三维实体模型

图1 设置工作目录

图2 创建实体拉伸

图5 L形板三维模型

为确保双向加载时，传到孔边考核区域的应力均匀，在两个加载臂上增加传力槽，传力槽的宽度为2mm，长度为17mm，三个槽的位置应尽可能避免与孔处于同一截面处，避免产生危险截面，影响仿真结果。切槽草图绘制完后，创建切削拉伸，传力槽的尺寸及模型如图6所示。

3.部件切分：由于仿真的目的主要为研究孔边应力状态分布，所以需要对孔边进行细致的切分，为后面网格的细分做铺垫，而切槽处仅为了传力的均匀所以不需要做细致的切分。L形板的四个螺栓孔处单独划分处正方形区域，将圆孔等比划分为四部分，以便后面网格划分时得到划分整齐的结构网格，以及在后处理过程中，方便建立路径对孔边进行应力分析并对不同加载条件下的结果进行对比。含传导槽的部分需要单独划分出区域，这样会使该区域的网格对考核区域的网格影响较小。加载臂相交处的圆角进行简单切分，避免网格过于紧密或者变形较大而造成仿真结果不收敛的现象。将螺栓螺母整体切分为四部分，以便得到质量较高的结构化网格，由于预紧力的施加需要在螺柱中部与L形板平行的部分建立施力面，所以将螺栓的中部进行切分。部件切分如图7所示。

图7 部件切分

二、弹塑性参数设置

因孔边应力集中水平较高，容易进入塑性区，所以L形板件需要建立弹塑性的有限元模型。L形板的材料为LY12-M（新牌号为2A12），杨氏模量E=71Gpa，泊松比v=0.33，并将2A12铝合金板在室温下的应力应变数据设置到材料的塑性行为中，如图8所示。由于螺栓所承受的载荷仅为装配截面处的剪切力与预紧力，且材料的杨氏模量和屈服强度均高于L形板材，所以在属性定义中可以不考虑其塑性变形，按照近似弹性处理。将两种材料属性定义好后，定义螺栓和L形板两种截面，并将截面属性赋到两个部件上。

图8 L形板件弹塑性参数设置

三、分析步设置

连接件有限元模型中涉及到螺杆预紧力的施加，螺栓与螺孔干涉配合的模拟等多个过程，需要在分析步中逐步实现，且有些加载过程需要先设置初始值，再进行最终载荷的施加，分析步设置过程如表1所示。将整个模型的加载过程分为三个步骤：

（1）螺栓与孔的干涉配合的模拟过程，需要两个分析步逐步实现；

（2）螺栓预紧力的施加过程，需要两个分析步逐步实现；

（3）模型的两个方向上的外载荷的施加，需要一个分析步直接施加。

图9 分析步设置

如图9为分析步的增量设置。由于模型中的相互作用面很多，且涉及到螺栓预紧力的施加和螺栓与螺孔的干涉配合的模拟，属于多重非线性问题，很容易出现计算不收敛的情况。所以ABAQUS中将一个分析步施加的载荷分解为多个小的增量，即可按照非线性求解步骤来进行计算。因为随着每一次迭代过程，ABAQUS得到的解将更接近平衡状态，所以需要进行多次迭代得到最终的平衡解，所以设置迭代步为，这样可以很好的解决计算结果不收敛的问题。

四、单元选取与网格划分

对十字形连接件进行应力分析时，应该让划分后的网格与力的传递路线相符合，拓扑形式与载荷的分配相符合。为了使计算结果具有更高的准确性，L形板件四个螺栓孔附近的正方形区域和加载臂中间部分使用整齐的结构网格划分，由于加载臂相交部分的圆角和传力槽的两端并不是考核应力状态的重点区域，所以采用自由网格来划分。而螺栓在切分为四个部分后同样使用结构化网格来划分。

若将整个连接结构的各个部位都细化网格，将大大增加工作量。由于仿真主要考察孔边周围的应力分布状态，所以在距离孔边较近的位置种子布置比较密集，远离孔边的部分种子布置较稀疏。整个模型都采用二十结点二次六面体减缩积分单元C3D20R，粘性等设置均选择默认值。因为无论是对于搭接还是对接的连接件来说，螺栓的螺杆部分所受到的力主要是剪切力，其方向垂直与螺栓的轴线，这必然会导致螺栓的局部产生弯曲现象。所以相比八结点单元来说，二十结点单元每条边上多一个节点，可以更为准确的将沿板件厚度方向的受力及变形表现出来。单元类型和种子分布都处理好后，对各部件进行网格划分，单元选取与网格划分如图10-12所示。

图11 部件网格的划分

图12 装配体网格的划分

五、相互作用的建立与相关设置

1.设置相互作用属性：

如图13所示，相互作用属性设置时，将切向摩擦力计算方法设为“Penalty”,摩擦系数为0.15；法向行为采用“Hard”接触；调整区域容限系数为默认值0.05。

2.设置相互作用关系：连接件实体模型的接触都为柔体-柔体的“面-面”接触，该模型需要设置的接触包括：两个L形板件之间、四个螺栓与板件螺栓孔内壁之间、四个螺栓头的下表面与上L形板之间、四个螺母上表面与下L形板之间的接触，共13对接触关系。接触关系设置如图14所示。

（a）两L形板之间 

（b）螺柱与螺栓孔之间

（c）螺栓端部下表面与上L形板之间

（d）螺母上表面与下L形板之间

图14 接触关系的建立 

3.设置干涉配合：注意由于螺栓的螺柱与螺栓孔之间存在干涉配合，所以在设置接触时将四个钉孔的干涉量设置好，分为两个分析步，设置初始干涉为0.01，最终干涉为0.15，即3%的干涉量，如图15所示。

4.设置参考点和耦合关系：为了便于后处理时场变量和历史变量的输出，在模型中建立两个参考点（rp1、rp2），分别位于上侧L形板两端，并分别将参考点rp1和rp2与要施加外载的X、Y方向的结点区域建立Couple耦合关系如图16所示。

图16 设置参考点与结点区域的耦合关系

五、载荷与边界条件设置

1.施加预紧力：首先进行预紧力的施加，在预先建立的预紧力加载面上设置“Bolt Load”加载。Step3中，将预紧力初始值设为120N，Step4中预紧力设为1200N。如图17-18所示。

2.施加外载并设置边界约束条件：X方向的rp1控制点加1800N集中拉伸载荷（即应力为20MPa），Y方向的rp2控制点加900N集中拉伸载荷（即应力为10MPa）。

图19 边界条件与外载荷的施加

对加载端的对称端部设置X、Y方向上的固支约束，由于设置了预紧力，所以螺栓外表面在预紧力加载过程中会产生Z方向的位移，因此对螺栓外表面施加Z向的位移约束，如上图19所示。