基于 ABAQUS 有限元分析软件的双轴连接结构仿真模型创建方法

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。

1. 创建三维实体模型

创建工作目录：在文件中选择设置工作目录，将工作目录设置为 F:\Biaxial_FEM，以方便后处理时能够方便的查询模型文件和结果文件。

图 1. 设置工作目录
创建 Part：首先建立 L 形板件的模型，选择创建部件，名称改为 P -2mm，模型空间选择三维，类型选择可变形，选择实体 - 拉伸的方式，草图的大致尺寸设为 300。使用多段线绘制草图，草图尺寸如图 3 所示，圆角处选择添加约束，将 X、Y 两方向的直线与圆弧设置相切关系。草图创建好后，点鼠标中键确定，选择拉伸厚度为 2mm。创建好的模型如图 5 所示。为了减少接触对的设置，本文螺栓和螺母简化为一体，以提高计算效率。

图 2. 创建实体拉伸

图 3. 创建草图

图 4. 指定深度

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。

图 6 切槽尺寸及几何模型
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

2. 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

3. 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：

• 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；
• 螺栓预紧力的施加过程，需要两个分析步逐步实现；
• 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。

表 1 分析步设置

分析步	目的	初始增量步	最小	最大
step1	干涉配合初始值	1	1E-5	1
step2	实现干涉配合	1	1E-5	1
step3	预紧力施加初始值	1	1E-5	1
step4	实现预紧力施加	1	1E-5	1
step5	X、Y 向外载施加	1	1E-5	1

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。