Abaqus多孔栓接结构螺栓预紧力施加实例

       在Abaqus结构仿真的过程中，螺栓预紧力的施加是有一定综合性的问题，对模型的材料参数定义、相互作用设置、接触条件处理、网格划分都有一定的基础性要求，特别是对于复杂结构而言，螺栓预紧力的施加会非常考察一个人对于Abaqus软件特性的了解和基本操作的熟练度。本文笔者根据自己的毕业论文中的有限元模型，对于多接触条件下的部件多孔栓接问题做出较为详细的解读，希望能对广大Abaqus基础用户有所帮助，也希望各位老师多批评指教。

       该问题的基本背景为某学校结构抗震试验中所设计的一榀单层单跨框架试验结构，节点处核心部件（钢牛腿，梁内预埋件）的需用高强螺栓进行栓接，并将所连接部件整体内置（Embedded）进混凝土。核心部分左侧为钢管混凝土外表面，右侧为梁钢筋骨架，左侧钢牛腿与钢管混凝土柱的连接通过捆绑（Fasterners）来模拟，右侧钢筋骨架与预埋件设置绑定约束（Tie）。

       在多种相互作用下，多孔栓接问题对于相关部件的网格划分精度要求较高，在划分过程中要尽量达到相关部件栓接区域网格高度一致，从而保证模型整体的收敛性和运算速度。但由于在Abaqus本体中网格划分部分所提供的部件切分工具较少，网格控制部分精确度不够，对于复杂结构，只在网格划分模块中通过有限的技术手段划分出较为规整的网格有一定的难度。在这笔者推荐使用创立壳单元来进行网格划分预处理，对部件实例进行网格划分前的初步切分。对于该贴中所需栓接的两个部件实例，笔者先在Abaqus部件模块中（Part）利用创立壳面的功能（Create Shell Extrude）进行栓接部分的部件切分，以求划分出更为规整的网格，对于利用创立壳面功能进行网格划分的具体操作，B站UP主“CAE-小马”的视频：《ABAQUSZ螺栓预紧力施加以及网格划分技巧》中有非常详细的解读。

       对于切分完成的部件，在实际网格划分中首先指定大致的网格划分尺寸（Seed part>Approximate global size），并对螺孔区域利用指定单元个数（Seed Edge>Number of elements）进行网格加密。以笔者所建立模型为例，在利用壳单元对部件实例进行局部切分后，在网格划分中首先指定大致单元尺寸为20，后通过指定每条边上的单元个数，为螺孔内外环4/1圆周及外部方形区域每边指定8个有限单元，其他部分通过不断优化得到了该区域较为规整的网格下图为利用该项技术的相关部件切分实例与相应的网格划分。

       模型中的螺栓部件利用实体旋转建立，该项操作会在螺栓中心处形成一条基准中性轴，便于后续螺栓荷载的施加。螺栓的网格划分较为简单，但需做到与螺孔的单元尺寸相对应，笔者指定螺栓圆周上每边与螺孔单元个数一致。需要注意的是在螺栓部件的切分过程中要在螺栓中部位置切出一个水平加载面，以便后续螺栓荷载的施加。

       螺栓预紧力的施加过程较为复杂繁琐，具体包括个步骤：1、分别设置螺栓各表面与两个待连接部件表面间的接触；2、对两个待连接部件相接触的表面进行解除设置；3、对各螺栓施加预紧力。以笔者所建立模型为例，模型共设置两块栓接区域，共12个螺栓，预紧力施加的工作较为繁琐。以其中一个螺栓为例，首先设置相互作用属性（Create Interaction Property），选择切向行为和法向行为，切向选择罚摩擦并设置摩擦系数为0.2，法向选择硬接触并允许接触后分离。随后在两侧螺帽内表面与待连接件表面、螺杆表面与螺孔内侧表面、两个待连接件间相接触的表面分别设置面面接触（Surface to surface contact），相关接触设置如下图所示。为提高模型运算速度和收敛性，螺帽与待连接件表面间的面面接触仅选定二者相接触的圆环区域为作用域。因为本模型采用的螺栓为高强螺栓，其材料强度高于其他材料，按照Abaqus默认的主表面选择优先级（网格划分尺寸较大>材料刚度较大>接触面较为粗糙），选择螺栓表面为主面，待连接件表面为从面；相应示意图如下。

      螺栓预紧力的施加过程较为简单，首先要至少创建三个分析步，第一个分析步为设定初始预紧力，第二个分析步为施加设计预紧力，第三个分析步为固定螺栓当前长度并开始后续加载工作。以本模型为例，螺栓预紧力在Abaqus载荷模块中施加（Create load>Bolt load），选定创建的第一个分析步，选择已切分出的螺杆中部水平面为加载面，选择螺栓中部基准轴为加载基准线 施加1000N的初始预紧力（要注意预紧力的加载方向，不注意的话可能会加反）；打开载荷管理器，将预紧力在第二个分析步中设置为150KN的设计预紧力；在第三个分析步中，需要将预紧力施加方法从“施加力”改为“固定在当前长度”，从这一步开始就可以进行后续的加载设置工作。

      螺栓预紧力施加完成后，由于相关构件均内置与钢筋混凝土梁，还需要对螺栓施加内置约束，但由于螺杆上已经施加了较大的预紧力，将整个螺栓内置进混凝土实体会导致螺栓“过约束”，在这里笔者没有采用将螺栓整体内置于混凝土实体的方法，而仅把螺帽作为一个单独的集内置于混凝土内，使模型达到了不错的收敛度。

      螺栓预紧力的施加对于Abaqus基础操作有一定要求，其关键在在于部件的网格划分和相互作用与预紧力间关系的处理，由于不同模型在结构和材料方面有较大差异，可以通过模型计算过程中输出的Message信息和网格检查功能来进一步优化模型。对于一般的多孔栓接问题，笔者建议首先要确保相关部件网格划分的规整度和栓接区域网格的一致性，利用材料强度和表面的粗糙程度确定接触的主从面，从而保证模型的计算速度和收敛性。