ABAQUS分析之美

图书在版编目（CIP）数据

ABAQUS分析之美/江丙云等著. —北京：人民邮电出版社，2018.9

ISBN 978-7-115-48510-6

Ⅰ．①A…　Ⅱ．①江…　Ⅲ．①有限元分析—应用软件　Ⅳ．①0241.82-39

中国版本图书馆CIP数据核字（2018）第118057号

著　江丙云　孔祥宏　树西　苏景鹤　等

责任编辑　杨璐

责任印制　陈犇

人民邮电出版社出版发行　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

大厂聚鑫印刷有限责任公司印刷

开本：787×1092　1/16

印张：32.5

字数：971

千字印数：1-3 000册

插页：1

2018年9月第1版

2018年9月河北第1次印刷

读者服务热线：(010)81055410　印装质量热线：(010)81055316

反盗版热线：(010)81055315

广告经营许可证：京东工商广登字20170147号

内容提要

本书坚持“工程需分析”的工匠精神，心怀“分析即是美”的人文情怀，删除空洞理论，摒弃传统“理论介绍→实例讲解→软件操作”的编撰套路，采用读者更容易接受的“基于典型实例，以‘工程目的→分析思路→操作流程→结果判读’为主线，穿插知识点和注意事项”的新颖讲解方式，着眼于工程中亟待解决的问题进行分类阐述，如接触收敛，复材强度，跌落碰撞，焊接仿真，薄板成形，体积成型，循环载荷，联合仿真，CEL仿真，热流固耦合，参数优化，非参优化，子程序和GUI，以及土木建筑等，并提供了完善的分析解决方案，以使读者感受CAE的魅力，享受Abaqus分析之美。

全书由23位CAE行业顶尖大咖倾力编写，历时3年5易其稿，并经由50余位行业专家评审和Abaqus原厂监制。涉及内容由编委会与1000余位网友互动交流后确定，力求提供读者最需要的工程技术知识、案例与经验。

本书提供配套模型源文件和视频讲解，读者可扫描前言或封底二维码进行下载。源文件+“step by step”操作视频+QQ群+“iCAX”和“CAETube”公众号等，构成可及时沟通交流的系统教程，为具有一定Abaqus基础的汽车、机械、电子、航空及土木等领域的工程师和科研人员提供CAE学习方法。

序一

有限元分析作为一项主要的计算机辅助工程（CAE）技术，已广泛应用于产品创新设计、制造过程分析及工艺参数优化等，成为企业创新、科研攻关的重要元素，其原因一方面得益于界面友好和功能强大的有限元软件的发展，另一方面也离不开包括本书编著者在内的一大批有限元分析技术传播者的贡献。

江丙云是我的博士研究生中勤奋并刻苦钻研的学生之一，有限元软件应用和写作是他做学位课题研究之余的两个主要爱好。他曾任职于世界500强企业，专职从事工程分析工作，也担任过Abaqus软件技术支持工程师，具有丰富的有限元分析经验和突出的工程应用能力，能将许多成果与工程实际进行紧密结合。

好的工程参考实例，可以让人正确地掌握有限元分析技术，在解决实际问题时减少盲目摸索，从而达到事半功倍的效果。Abaqus作为国际知名的有限元分析软件，具有丰富的案例和行业交流群，有利于促进有限元分析技术的应用。

本书将Abaqus操作流程与工程分析经验充分结合，涉及接触计算、复合材料、结构强度、流固耦合、成型过程、参数优化及子程序开发等内容，针对工程实例详细描述其问题及解决方案，展现有限元分析之美。

本书编者均来自知名高校和各大行业的CAE领域，他们充分发挥各自的专业所长，将丰富的科研和实践经验融入各行产品的设计、分析和优化中。相信本书的出版能够对从事CAE分析的工程师和高校科研人员提供帮助，并为有限元技术在中国的应用做出一点贡献。

李大永　教授
2017年12月于上海交通大学

序二

“工业4.0”和“中国制造2025”的提出，要求产品和零部件的设计越来越复杂和精密，进一步要求产品性能的预测更加精准和快速，同时对于现今产品的制造也迫切需要更多的新型加工方式。无论是产品性能的提前预测还是加工制造的可行性评估，人们都没有太多经验可供参考，必须采用更为先进的有限元分析（CAE）方法，以提高产品性能和优化生产工艺。

计算机技术和数值方法的突飞猛进，也助力了有限元技术的普及应用，使其已成为一种解决结构、流体、热和工艺等问题的必备方法。Abaqus为一套功能强大的大型通用有限元软件，其承载并集合众多分析能力于一身，解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题，特别是在结构力学领域，具有很高的知名度和广泛的用户群，分析结果具有极高的精准性和可靠性，能够为新材料的力学行为提供充分分析，为复杂产品的细节提供全面设计，为新型工艺的制造提供灵活解决方案。

江丙云、孔祥宏、树西、苏景鹤、贾利勇、陈佳敏和罗元元等众多作者在行业内都具有较高的人气，他们撰写的《ABAQUS工程实例详解》《ABAQUS Python二次开发攻略》和《ABAQUS GUI程序开发指南》等图书在行业内具有较高的销量和参考价值，他们录制的视频教程在微信、微博等新媒体上具有较高的观看人次，他们无私的奉献为CAE的普及和推广尽到了绵薄之力。我认识他们多年，他们都是相当认真、负责和严谨之人。我三年前就知道他们在编著本书，了解到新书的恢宏和作者团队的强大，同时也得知有众多汽车主机和零部件工厂的领导参与了审稿和点评，更加期待新书的出版上市。

我不久前收到全书书稿，认真翻阅后更加确定了本书值得推荐。本书结合了作者多年工作经验，完全基于工程实际案例，各自发挥所长，从实际问题描述、分析思路、操作方法和结果判读等方面，详细讲解了Abaqus/CAE、Abaqus/Standard、Abaqus/Explicit、Abaqus/CFD和Abaqus/ATOM等模块，在接触收敛，复材强度，跌落碰撞，焊接成型，土木建筑，参数和非参优化，以及子程序和GUI等上的应用，特色非常鲜明，书中介绍的一些解决实际问题的技巧，相信能够为读者解决实际问题提供一些思路。

高绍武　博士
达索SIMULIA高级技术经理
2017年冬于上海汇亚大厦

前言

企业和高校中广泛应用的Abaqus被认为是最强的通用有限元软件，没有“之一”，其力学分析能力未逢棋手。

本书从2015年开始筹备，以“形散神不散”的核心思想，汇聚了23位Abaqus天团成员，历时3年倾力编著，并由50余位行业专家对各章节进行分别审稿和点评，以及1000多位网友互动。

请关注公众号“iCAX”和“CAETube”，下载和观看本书配套模型和视频。

本书特色

• 本书5易其稿，历时3年，23位作者参编，50余位行业专家审稿，原厂监制；时刻保持与同行深入交流，编写出读者最需要的内容。
• 本书坚持“工程需分析”的工匠精神，心怀“分析即是美”的人文情怀，删除空洞理论，详解必备核心知识。
• 本书着眼于工程中亟待解决的问题进行分类阐述，并提供完善的解决方案，以使读者在学习中享受分析之美。
• 本书选取与工程实际紧密贴合的行业典型实例，与那些重演帮助文档案例的图书有较明显区别。
• 本书采用的许多行业案例，市面上Abaqus类书籍鲜有涉及，如复合材料、焊接成型、联合仿真、CEL仿真、参数优化和土木建筑等。
• 本书摒弃传统“理论介绍→实例讲解→软件操作”的编撰套路，采用读者更容易理解的“基于典型实例，以‘工程目的→分析思路→操作流程→结果判读’为主线，穿插知识点和注意事项”的新颖方式。
• 本书提供全部模型文档和视频讲解文件，读者可边看视频边操作；同步依托微信群、公众号和小程序等，构成可及时沟通交流的生态系统。

本书主要面向具有一定基础的Abaqus工程师和科研人员，可帮助汽车、机械、电子、航空和土木等领域相关人员学习CAE方法并享受分析之美。

主要内容

本书依据工程领域和热门知识点，分为14部分，共计40讲内容。

第1部分，接触收敛，由第1～6讲组成。包括Abaqus的网格划分和非线性引入接触收敛类工程实例，如汽车球销、螺纹啮合、螺栓预紧和垫片密封等。

第2部分，复材强度，由第7～12讲组成。以Cohesive单元的应用引入复材分析，详细讲解复合材料层压板的强度分析方法，如USDFLD、UMAT和VUMAT子程序等。

第3部分，跌落碰撞，由第13～14讲组成。采用显式动力学分析方法，详细讲解电子产品的跌落分析及高压线的高速碰撞分析。

第4部分，焊接仿真，由第15～17讲组成。通过3个案例，详细讲解铝合金TIG的焊接、激光填丝钎焊及温度诱导氢扩散等分析。

第5部分，薄板成形，由第18～19讲组成。以汽车S轨的冷冲与高强度钢的热冲为例，详细介绍如何运用Abaqus对钣金件进行成型性能分析和失效判断。

第6部分，体积成型，由第20～21讲组成。针对金属大变形，以线束压接和圆盘锻压为例，详细讲解其分析过程和注意要点。

第7部分，循环载荷，由第22讲组成。以法兰循环受载为例，详细介绍了如何在软件中使用循环载荷进行金属材料的加工硬化分析。

第8部分，联合仿真，由第23～24讲组成。以注塑-结构、吹塑-结构联合分析为例，详细介绍如何将制造工艺仿真与结构强度分析进行联合，以使分析结果更加接近实际。

第9部分，CEL仿真，由第25～26讲组成。采用CEL方法处理橡胶大变形和流固耦合，详细讲解橡胶密封和洗衣机搅拌过程的分析。

第10部分，热流固耦合，由第27～29讲组成。采用Abaqus多物理场能力，讲解氧传感器的热应力、汽车刹车片的热力耦合，以及汽车防抱死系统的流固耦合等。

第11部分，参数优化，由第30～31讲组成。以连接器正向力分析和笔盖插入力分析为例，详细介绍了参数化设计方法和关键字编写流程。

第12部分，非参优化，由第32～33讲组成。以飞机起落架扭力臂和风力涡轮机轮轴为例，详细讲解了非参优化中最为重要的拓扑和形状两种优化方法。

第13部分，子程序和GUI，由第34～37讲组成。以杆单元为例演示了Abaqus强大的脚本功能，以Dload动态轴承载荷和Dflux焊接热分析为例，讲解了Abaqus优秀的子程序分析能力，并通过GUI实现六边形蜂窝结构的自动建模。

第14部分，土木建筑，由第38～40讲组成。以钢筋混凝土框架、桩基与地下连续墙组合码头结构和深层岩石为例，详细讲解了其分析流程和失效判断等。

技术支持

本书配套模型和视频，读者可关注“iCAX”和“CAETube”公众号，以及QQ群“CAE分析之美（234253423）”，进行下载和观看，在学习过程中如遇到困难，也请与我们联系。

如果读者无法通过微信和QQ访问，那么可以给我们发送邮件，Email：CAETube@caetube.com。

致谢

非常感谢上海交通大学李大永教授和达索SIMULIA高级技术经理高绍武博士百忙中为本书作序，以及杨洁部长、李萌蘖教授、沈新普教授、鲍益东副教授、曹金凤副教授、殷黎明总监等前辈的悉心指导。

此外，编者在编写中得到了季湘樱、杜显赫、姚宗撰、曹鹏、杨丽红和陈晓豫等朋友，以及富士康工程分析小伙伴们的鼎力相助，在此一并致谢。也非常感谢家人和朋友的大力支持，王琰尤其感谢周喆女士的相伴相随；谨以此书献给所有关心、关怀和关爱我们的人！

虽然编者已对本书仔细检查多遍，力求无误，但由于水平有限，书中欠妥之处在所难免，恳请读者批评指正，以供修订之借鉴。

编委会
2018年6月于上海

第01部分 接触收敛

第1讲 网格划分和单元编辑

主讲人：江丙云

1.1 2D平面网格划分实例

本例先绘制草图，然后基于此草图创建平面部件（Part），再对此平面Part进行网格划分。

1.1.1 问题描述

图1-1所示的2D平面几何，即为本例网格划分对象，其具体尺寸参见图中标示。

1.1.2 草图绘制

打开Abaqus/CAE，界面切换到Sketch模块。

应用命令Sketch→Create或单击工具箱中的（Create Sketch），在弹出的Create Sketch对话框中，草图名称（Name）默认为Sketch-1，草图尺寸（Approximate Size）约为100。单击对话框中Continue按钮进入草图。

1. 绘制垂直线1

应用命令Add→Line→Connected Lines或单击工具箱中的（Create Lines: Connected），在草图下方提示栏输入起点（0,0），按Enter键或鼠标中键；在提示栏输入终点（0,10），按Enter键即可完成长度为10的垂直线的绘制。

2. 绘制垂直线2

应用命令Add→Offset或单击工具箱中的偏移曲线（Offset Curves），根据提示栏的提示选中上文所绘制的垂直线1并按鼠标中键确认（Done）；在提示栏输入偏移距离20，按鼠标中键确认后查看偏移的曲线是否在原垂直线1的右侧，若是则单击提示栏OK按钮，否则单击Flip按钮翻转偏移方向。

3. 绘制水平线3

单击工具箱中的（Create Lines: Connected），分别选择垂直线1和垂直线2的上顶点，绘制出水平线3。

4. 绘制圆4、水平线5和水平线6

创建点：应用命令Add→Point或单击工具箱中的创建孤立点（Created Isolated Point），在提示栏输入（10,0），按Enter键完成点的创建。

绘制圆4：应用命令Add→Circle或单击工具箱中的，根据提示选择刚刚创建的点，即圆心；随后在提示栏输入（15,0）以确定圆的半径为5，按Enter键完成圆的创建。

绘制水平线5：单击工具箱中的（Create Lines: Connected）#，根据提示选择垂直线1的下端点作为起点，水平交叉于左半圆作为终点。

绘制水平线6：同理，选择垂直线2的下端点作为起点，水平交叉于右半圆作为终点。

5. 绘制垂直线7

单击工具箱中的偏移曲线（Offset Curves），根据提示选中上文绘制的垂直线2并按鼠标中键确认（Done）；在提示栏输入偏移距离20，按鼠标中键确认后查看偏移的曲线是否在原垂直线2的右侧，若是则单击提示栏OK按钮，否则单击Flip按钮翻转偏移方向。

6. 绘制垂直线8

同上，单击工具箱中的，往右偏移垂直线7 20mm。

7. 绘制水平线9和水平线10

绘制水平线9：单击工具箱中的（Create Lines: Connected），分别选择垂直线2和垂直线7的下端点。绘制水平线10：同理，单击工具箱中的，分别选择垂直线7和垂直线8的下端点。

8. 绘制水平线11

单击工具箱中的，往上偏移水平线10 2.5mm。

9. 绘制弧线12

应用命令Add→Arc→Tangent to Curves或单击工具箱中的（Create Arc: Tangent to Adjacent Curves），根据提示选择水平线11的左端点作为起点，选择水平线3的右端点作为终点，至此草图如图1-2所示。

裁剪多余线：应用命令Edit→Auto-Trim或单击工具箱中的自动修剪（Auto-Trim），根据提示选择圆的下半部分、垂直线7和垂直线8的上面部分做裁剪删除，最终草图如图1-1所示。

1.1.3 创建Part

切换到Part模块。

应用命令Part→Create或单击工具箱中的Create Part，弹出图1-3（a）所示的Create Part对话框，其中几何模型为二维平面（2D Planar）的变形体（Deformable）壳（Shell）。单击Continue按钮进入草图界面。

应用命令Add→Sketch或单击工具箱中的Add Sketch，调入前文所绘制的草图Sketch-1，单击提示栏中的Done按钮或按鼠标中键完成草图的调入。

根据提示，单击Done按钮，弹出图1-3（b）所示的警告信息，同时草图也会有图1-3（c）所示的提示；此时应用命令Delete，把垂直线2和垂直线7删除。

单击提示栏中的Done按钮或按鼠标中键，即完成Shell平面Part的创建。

2. 应用草图工具栏中的Save Sketch As命令，可以把当前的草图另存一个草图以备后用；将和联合使用，对草图的装配、拆分特别有用，如调入AutoCAD模具装配图，拆分建立各零件图等。

○ 1. 通过Modeling Space、Type和Base Feature的不同组合，可以创建各种分析所需的几何模型。

1.1.4 网格划分

切换到Mesh模块，且类型为Part。

1. 切分平面

应用工具栏中的命令Partition Face: Use Shortest Path Between 2 Points，根据提示，分别选中平面上原垂直线2和垂直线7相应的两点，切分后如图1-4（b）所示。

2. 种子定义

应用命令Seed→Edges或单击工具箱中的Seed Edges，选中垂直线1并按鼠标中键，弹出Local Seeds对话框，如图1-4（a）所示，在Basic选项卡中设置其边上节点个数为5，同时在Constraints选项卡约束其节点个数不变。

同上，如图1-4（b）所示，分别约束边线的种子个数，垂直线1、垂直线2、垂直线7和垂直线8为5个节点，水平线3和弧4为20个节点，水平线5和水平线6为水平线4个节点，水平线9和弧12为10个节点，水平线10和水平线11为15个节点。

3. 网格控制

应用命令Mesh→Controls或单击工具箱中的（Assign Mesh Controls），根据提示，框选全部平面，按鼠标中键确定，弹出网格控制Mesh Controls对话框，如图1-4（c）所示，设定网格单元形状Element Shape为四边形Quad，网格划分技术Technique为自由划分Free，网格划分算法Algorithm为中性轴算法Medial axis。

4. 单元类型

应用命令Mesh→Element Type或单击工具箱中的（Assign Element Type），框选全部平面，按鼠标中键确定，弹出图1-5所示的单元类型Element Type对话框，选择类型为平面应变单元CPE4R。

5. 网格划分

应用命令Mesh→Part或单击工具箱中的（Mesh Part），单击提示栏中的Yes按钮或按鼠标中键完成网格划分，如图1-6（a）所示。

如把图1-4（c）所示的网格划分算法改为进阶算法Advancing front，则网格如图1-6（b）所示。相对来说，图1-6（a）所示的网格形状更为“养眼”，也更有利于求解收敛。

如果部件较为复杂，网格划分困难，则可进行区域切分，再应用命令Mesh→Region先后主次分区划分，以保证关键区域的网格质量最优。

6. 检查网格

应用命令Mesh→Verify或单击工具箱中的（Verify Mesh），根据提示选中检查目标部件，弹出网格检查对话框。在Analysis Checks选项卡中勾选Errors和Warnings，单击Highlight后，信息栏给出相应的检查结果，如有警告或错误，则网格有相应的颜色提示。

1.2 3D曲面网格划分实例

本例针对图1-7所示的3D几何进行网格划分，并把网格单元从几何剥离，加以偏置生成实体单元。

1.2.1 问题描述

图1-7所示的3D曲面几何，即为本例网格划分对象，共有11个面，中间的面为加强筋。

1.2.2 导入几何并检查

打开Abaqus/CAE，界面切换到Part模块。

1. 导入几何

应用命令File→Import→Part，弹出Import Part对话框，选中Channel.iges并单击OK按钮确认，后续参数默认导入图1-7所示的几何的参数。

2. 几何检查

应用命令Tools→Query或单击工具栏中的Query Information，弹出Query对话框，选中此对话框中的Geometry Diagnostics，弹出图1-8所示的几何诊断Geometry Diagostics对话框，勾选Topology选项中的Free edges，单击Highlight按钮，检查几何的自由边，如图1-7所示；此检查没有发现加强筋和其余面之间的自由边，说明面与面之间的连接是正确的，不用修复。

1.2.3 网格划分

切换到Mesh模块，且Object类型为Part。

1. 布置全局种子

应用命令Seed→Part或单击工具箱中的（Seed Part），在弹出的Global Seeds对话框中，默认种子尺寸为6和其余参数。

2. 第1次网格划分

应用命令Mesh→Part或单击工具箱中的（Mesh Part），根据提示单击Yes按钮，获得网格如图1-9所示，可知其圆弧面的网格尺寸较大，出现了棱角，有必要增加圆弧处种子（节点）数。

3. 第2次网格划分

应用命令Seed→Edges或单击工具箱中的（Seed Edges），选中图1-9所示的弧线，设定其种子数为6，参考图1-4（a）。

再次应用命令Mesh→Part划分网格，如图1-10所示，是可以接受的，故其他圆弧也同理增加种子数。

4. 第3次网格划分

由图1-9和图1-10可知，加强筋上的网格不够光顺，有些许扭曲。

应用命令Mesh→Controls或单击工具箱中的（Assign Mesh Controls），根据提示，框选全部平面，按鼠标中键确定，在弹出的网格控制Mesh Controls对话框中，按图1-4（c）所示修改网格单元形状Element Shape为四边形Quad，网格划分算法Algorithm为中性轴Medial axis。

再次应用命令Mesh→Part划分所得网格，如图1-11所示。

5. 第4次网格划分

由图1-11可知，加强筋圆弧上的网格扁长，即长短轴比例失调，需增加加强筋边上的种子数。

应用命令Seed→Edges或单击工具箱中的（Seed Edges），选中图1-11所示的加强筋边，设定其种子数为4。

如要避免已有网格影响再次划分，可应用命令Mesh→Delete Part Native Mesh或单击工具箱中的，删除几何部件上的全部单元。

再次应用命令Mesh→Part划分所得网格，如图1-12所示。

2. 工具箱中的删除网格的图标，需要长按鼠标左键才能显示出来。

○ 1. 通过Verify Mesh也可查知，加强筋圆弧处网格有黄色警告。

1.2.4 法向查询与调整

1. 法向查询

应用命令Tools→Query或单击工具栏中的（Query Information），弹出Query对话框，选中此对话框中的壳单元法向（Shell element normal）；结合提示栏和图1-13可知各面的法向，当勾选提示栏，可显示出图中各面结合处的法向不一致导致的冲突边。

2. 法向调整

法向和材料厚度定义有关，故切换到Property模块。

应用命令Assign→Element Normal，根据提示，选中图1-14所示的6个待调整的面，按鼠标中键或单击提示栏Done按钮，完成面的调整。

再次查询（Query）各面的壳单元法向（Shell element normal），可知除加强筋以外，各面法向一致。

1.2.5 网格分离

为了后续对网格进一步编辑，需要把网格从几何上分离出来。还是在Mesh模块，Object类型为Part。

应用命令Mesh→Create Mesh Part，默认提示栏的Mesh part name，单击OK按钮，完成网格的分离，即新建了一个只有网格单元、没有几何的孤立部件，展开树目录Parts也可看到。

1.2.6 网格编辑

上文生成的孤立网格部件channel-mesh-1可进行许多扩展应用。

切换到Mesh模块，且。

1. 偏置单元

应用命令Mesh→Edit或单击工具箱中的（Edit Mesh），弹出图1-15所示的Edit Mesh对话框，选择偏置Offset（create shell layers），根据提示选中除加强筋以外的10个面，按鼠标中键，弹出图1-16所示的偏置网格（Offset Mesh-Shell Layers）对话框，按照图1-16设置，可获得图1-17所示的偏置壳单元。

类似上述操作，在Edit Mesh对话框中选择偏置Offset（create solid layers），并设置偏置厚度（Total thickness）为5，层数（Number of layers）为4，可得到图1-18所示的偏置体单元。

2. 删除单元

在Edit Mesh对话框中选择Element: Delete，单击提示栏中Sets按钮，弹出Region Selection对话框，从中选择需要删除的单元集和相应的节点。

3. 创建单元

在Edit Mesh对话框中选择Element: Create，在提示栏设定单元形状为Line 2，选中图1-19所示的2节点，创建2节点线单元；同理，在提示栏设定单元形状为Quad 4，选中图1-19所示的4节点，创建四边形单元。

1.3 3D实体网格划分实例

本例针对图1-20所示的3D实体几何进行六面体结构网格划分。

1.3.1 问题描述

图1-20所示的3D悬臂实体，即为本例网格划分对象，其由4个基本特征组成，即基座、弯臂、直臂和圆柱体等。

1.3.2 导入几何并检查

打开Abaqus/CAE，界面切换到Part模块。

1. 导入几何

应用命令File→Import→Part，弹出Import Part对话框，选中arm.stp并单击OK按钮确认；后续参数默认导入图1-20所示的几何。

2. 几何检查

应用命令Tools→Query或单击工具栏中的Query Information，弹出Query对话框中，选中此对话框中的Geometry Diagnostics，弹出图1-21所示的几何诊断（Geometry Diagnostics）对话框，勾选Topology选项中的Solid cells，并单击Highlight按钮检查实体数，信息栏给出只有1个实体“1 solid cells were found and highlighted.”的结果，即此悬臂无分割。

1.3.3 分割部件

切换到Mesh模块，且Object类型为Part。

1. 显式颜色

设定工具栏颜色代码（Color Code）模式为Mesh defaults，单击打开其中的颜色代码（Color Code）对话框，如图1-22所示，各种颜色代表了可进行网格划分的方法。

2. 分割基座

根据上文，可知此悬臂部件显示的颜色为橙色，即无法划分，需进一步对悬臂几何体进行分割。

应用命令Tools→Partition，弹出图1-23所示的分割（Create Partition）对话框，勾选类型为Cell，采用扩展平面Extend face方法分割Cell实体，或单击工具箱中的（Partition Cell: Extend Face）进行分割。

根据提示，选择图1-24所示的分割面，对整个几何体进行分割。分割后的基座自动变成黄色，表明基座可通过扫掠网格进行划分。

3. 分割弯臂

同理，应用Tools→Partition，采用定义切割平面（Define cutting plane）方法，或单击工具箱中的（Partition Cell: Define cutting plane）进行分割。

根据提示信息选择弯臂Cell l。

再根据提示应用3 Points方法分割弯臂，先后选择图1-25所示的3个点，以定义弯臂和直臂之间的分割面。

分割后的部件几何体如图1-26所示，其弯臂也变为黄色。

4. 分割直臂

由图1-26可知，直臂和圆柱体还是橙色的，需进一步分割。

应用命令Tools→Partition，弹出图1-23所示的Create Partition对话框，勾选类型为Cell，采用扩展平面Extend face方法分割Cell实体，或单击工具箱中的（Partition Cell: Extend Face）进行分割。

根据提示选择图1-27所示的圆柱面作为分割面，对直臂和圆柱体进行分割。分割后的直臂自动变成黄色，即直臂可通过扫掠网格进行划分。

5. 分割圆柱体

由图1-28可知，圆柱体还是橙色的，需进一步分割。

应用命令Tools→Partition，采用定义切割平面Define cutting plane方法，或单击工具箱中的（Partition Cell: Define cutting plane）进行分割。

根据提示信息选择圆柱Cell ，再根据提示应用3 Points方法分割圆柱，先后选择图1-29所示的3个点，以定义用于分割圆柱体的面。

分割后的部件几何体如图1-30所示，圆柱体一部分变为黄色，一部分变成绿色。

1.3.4 划分网格

1. 布置全局种子

应用命令Seed→Part或单击工具箱中的（Seed Part），在弹出的Global Seeds对话框中，默认全局种子尺寸为0.018和其他参数。

2. 第1次网格划分

应用命令Mesh→Part或单击工具箱中的（Mesh Part），根据提示单击Yes按钮，获得网格如图1-31所示。

由图1-31可知，基座和圆柱体网格有少许扭曲，有必要对其进行网格控制。

3. 第2次网格划分

应用命令Mesh→Controls或单击工具箱中的（Assign Mesh Controls），根据提示，按住Shift键选择基座和圆柱体左半部分，按鼠标中键确定，在弹出的网格控制（Mesh Controls）对话框中，修改网格划分算法Advancing front为Medial axis算法。

再次应用命令Mesh→Part划分所得网格，如图1-32所示。

1.3.5 检查网格

应用命令Mesh→Verify或单击工具箱中的Verify Mesh，根据提示选中部件，弹出网格检查对话框。在Analysis Checks选项卡，勾选Errors和Warnings，单击Highlight按钮。信息栏给出图1-33所示的检查结果。

1.4 网格编辑实例

本例以人体头部、颈部的已有网格为对象，对其进行再次编辑。

1.4.1 问题描述

图1-34所示的网格来自于LS-DYNA的官方实例，其由人体的头部、颈部组成，为便于后续的描述，对颈部各部分分别命名为颈-1、颈-2、颈-3和颈-4。

对图1-34已有网格加以编辑，目标网格如图1-35所示。

1.4.2 导入网格

新建空白Abaqus/CAE，保存为4_neck-head_mesh.cae。

应用命令File→Import→Model或在图1-36所示的通过单击鼠标树目录右键导入本例文件夹中的4_neckhead.inp孤立网格，模型如图1-34所示。

1.4.3 创建单元和面集

切换到Part模块。

应用命令Tools→Set→Create或在树目录单击鼠标右键选择Parts→Features→Sets，弹出Create Set对话框，选择Type: Element，根据提示，通过by angle选择图1-34所示的头部面单元，创建名为Set_head-shell的头部单元集。

同上，分别创建表1-1所示的单元集。

同时，应用命令Tools→Surface→Create或在树目录单击鼠标右键选择Parts→Features→Surfaces，弹出Create Surface对话框，默认Type:Mesh，根据提示创建图1-37所示的颈-1～颈-4外圈面的单元集Set_neck-surface。

1.4.4 偏置网格

切换到Mesh模块，且Object为Part 。

1. 偏置头部

应用命令Mesh→Edit或单击工具箱中的（Edit Mesh），弹出图1-15所示的Edit Mesh对话框。

在Edit Mesh对话框中，设定Category:Mesh，Method：Offset（create solid layers）。根据提示，通过选择图1-38所示头部的全部Shell单元的面。

随后弹出图1-39所示的偏置网格（Offset Mesh-Solid Layers）对话框。因要向外偏置且其外面颜色为橙色，故设置偏置方向为橙色；同时，偏置厚度设为10且仅1层单元；为方便后续的选择，在此对话框为新生成的实体单元定义单元集，集名为Set_head-solid。

2. 偏置颈-1

同上，在Edit Mesh对话框中，设定Category:Mesh，Method：Offset （create solid layers）。根据提示，通过选择图1-40所示颈-1的下单元面。

随后弹出图1-41所示的偏置网格对话框。偏置厚度设为24的4层单元；且新生单元与所选基础面共享节点；为新生成的实体单元定义单元集，集名为Set_neck-1-off。

3. 偏置颈-2

同上，根据提示，通过选择颈-2的下单元面，在偏置网格对话框中，偏置厚度设为24的4层单元；且新生单元与所选基础面共享节点；为新生成的实体单元定义单元集，集名为Set_neck-2-off。

4. 偏置颈-3

同上，选择颈-3的下单元面，偏置厚度设为24的4层单元；且新生单元与所选基础面共享节点；新生成的实体单元定义单元集，集名为Set_neck-3-off。

5. 偏置面集Set_neck-surface

在Edit Mesh对话框中，设定Category: Mesh，Method：Offset（create solid layers）。根据提示，选择颈-1～颈-4外圈面的面集Set_neck-surface。

如图1-42所示，在偏置网格对话框中，偏置厚度设为6且仅1层单元。

经过以上几次偏置，获得图1-35所示的目标网格。

1.4.5 删除单元

应用命令Mesh→Edit或单击工具箱中的（Edit Mesh），弹出图1-15所示的Edit Mesh对话框。

在Edit Mesh对话框中，设定Category：Element，Method：Delete。根据提示，通过选中Set_head-shell单元集来删除。

1.4.6 检查交叉网格

应用命令Tools→Query或单击工具箱中的（Query information），弹出Query对话框，选中此对话框的网格间隙/交叉（Mesh gaps/intersections）。

检查结果如图1-43所示，高亮显示出接触单元，但未有共享节点。

1.4.7 合并节点

应用命令Mesh→Edit或单击工具箱中的（Edit Mesh），弹出图1-15所示的Edit Mesh对话框。

在Edit Mesh对话框中，设定Category: Node，Method：Merge。根据提示，框选全部颈部节点。在提示栏中设置合并节点容差为0.001。

确认并合并图1-44所示的接触点。

1.5 小结和点评

本讲详细讲解了Abaqus的网格划分、网格编辑等内容。从2D到3D的几何创建、从实体网格划分到网格的分离、从网格偏置到网格编辑均有详细演示。读者能够快速熟悉Abaqus分析的重要前处理（网格划分）的基本步骤，为后续的各种分析打下基础。

点评：李伟国　CAE主任工程师
泰科电子（上海）有限公司

第2讲 汽车球销安全分析

主讲人：谢卫亮

2.1 概述说明

汽车球销是保证汽车操纵的稳定性，行驶的平顺性、舒适性和安全性，以及关键零部件，同时也是汽车转向系统中传递载荷的重要零件，用于与转向节或转向臂配合。在设计汽车球销时必须考虑其额定载荷情况下的安全性，同时由于汽车球销在使用过程中要求其在圆周方向有一定的摆角，这样会降低汽车球销强度，因此对此类汽车球销进行静力分析是必不可少的。

2.2 问题描述

本讲以图2-1所示的汽车球销设计图为例，采用静力求解来分析其设计安全性，并详细讲解其求解过程。

图2-1为汽车球销的设计图纸，材料为40Cr，密度为7.85×10-6kg/mm3，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3，热处理状态为调质处理，硬度为26～32HRC，根据机械性能拉伸试验可得，该调质状态下的屈服强度为918MPa，工作载荷为4t。

2.3 创建模型

2.3.1 网格划分

1. 创建、保存模型

打开SolidWorks，打开资源中的球销文件qiuxiao.x_t；然后再打开Abaqus，创建NewModel Database:With Standard/Explicit Model，应用命令File→Save as保存模型为qiuxiao.cae，接着在Module选项卡中选择Assembly模块。最后在菜单栏中依次单击→→，弹出图2-2所示的对话框。然后单击Enable按钮，这样就与SolidWorks正确连接上。单击SolidWorks菜单栏中的，如图2-3所示。这样就将图2-4所示的球销模型导入Abaqus中。

2. 重命名模型

如图2-5所示，在树目录的Model-1单击鼠标右键，选择重命名（Rename），命令为qiuxiao。

2.3.2 网格划分

切换到Mesh模块，对Part: qiuxiao划分网格。从默认颜色可知，该球销模型为棕色，即不能直接划分网格，需切分体。网格划分的具体步骤如下。

1. 创建一条基准轴

长按工具箱中的，然后选择工具箱中的，利用圆柱面创建基准轴，然后根据窗口左下角的提示，生成图2-6所示的基准轴。

2. 创建3个基准面

长按工具箱中的，然后选择工具箱中的，利用线和点创建基准面，然后根据窗口左下角的提示，生成一个基准面。按此法创建另一个相互垂直的基准面。由于球销装配时的配合面为锥面体的一部分，如图2-1所示的中锥度配合面26以内的部分，所以从锥度小端向锥度大端偏移位移26mm，长按工具箱中的，然后选择工具箱中的，再根据窗口左下角的提示，选择锥度小端面，按鼠标中键保持默认并确认，然后选择窗口左下角提示区的Flip（翻转）按钮，按鼠标中键确认，在弹出的对话框中输入26mm，再按鼠标中键确认，如图2-7所示。

3. 切分体

长按工具箱中的，然后选择工具箱中的，使用基准面拆分体，然后根据窗口左下角的提示，选择一个基准面，按鼠标中键确认自动拆分体，然后再选择拆分的两个体（按住Shift键可选择两个体），按鼠标中键确认，再选择另一个基准面按鼠标中键确认，这样就将球销划分为4个体，最后拆分出锥度配合面，用同样的方法选择4个体之后，再选择另一个基准面按鼠标中键确认，这样就将球销划分为8个体，如图2-8所示。

4. 设置网格参数

首先单击工具箱中的，设置球销全局种子尺寸（Approximate global size）为2，如图2-9所示。然后单击工具箱中的，进行网格属性设置，弹出图2-10所示的对话框，单元形状选择六面体为主（Hexdominated），网格划分技术选择扫掠（Sweep），算法选择进阶算法（Advancing front），同时勾选该选项下的复选框。

5. 网格划分

设置完成后单击工具箱中的并按鼠标中键确认，完成球销网格划分，如图2-11所示。

6. 定义单元类型

单击工具箱中的，根据窗口左下角的提示，定义全部单元类型，按图2-12所示定义C3D8R单元类型。

2.3.3 定义材料

切换到Property模块，为Part:qiuxiao定义材料。

1. 创建材料属性

单击工具箱中的，弹出图2-13所示的对话框，先将材料命名为Steel_40Cr，然后单击Mechanical，分别选择Elastic和Plastic，设置弹性参数和塑性参数。弹性参数中设置杨氏模量为210000MPa、泊松比为0.3；塑性参数中设置屈服应力为918MPa、塑性应变为0。

2. 创建截面属性

单击工具箱中的，弹出图2-14所示的对话框，将截面命名为qiuxiao，单击Continue按钮，弹出图2-15所示的对话框，选择材料为Steel_40Cr，单击OK按钮确认。

3. 指定截面属性

单击工具箱中的，按窗口左下角的提示，选择整个球销模型并按鼠标中键确认，弹出图2-16所示的对话框，在对话框中选择qiuxiao截面并单击OK按钮确认。

2.3.4 创建装配

切换到Assembly模块，将qiuxiao模型装入。

单击工具箱中的命令，弹出图2-17所示的对话框，在对话框中选择qiuxiao并单击OK按钮确认。

2.3.5 创建分析步

切换到Step模块，为球销分析设置分析步。

单击工具箱中的，弹出图2-18所示的对话框，选择Static,Riks分析类型并单击Continue按钮，弹出图2-19所示的对话框，在Basic选项卡下Nlgeom后面选择ON，然后切换到Incrementation选项卡，保持里面的默认参数，最后单击OK按钮确认。

2.3.6 创建参考点及耦合

切换到Interaction模块，为球销球中心创建耦合作用点。

单击工具箱中的，在窗口左下角提示区内输入X,Y,Z(0,0,0)坐标，即坐标零点位置（此模型球销球中心刚好建在坐标零点位置），然后按鼠标中键确认。接下来将参考点耦合到球销球面上，单击工具箱中的，弹出图2-20所示的对话框，选择Coupling并单击Continue按钮，根据窗口左下角的提示选择上一步创建的参考点，按鼠标中键确认，在提示区选择Surface按钮，然后选择耦合点作用面（按Shift键选择球销的4个球面部分），按鼠标中键确认，弹出图2-21所示的对话框，选择Continuum distributing，再单击OK按钮确认。

2.3.7 创建边界条件和载荷

切换到Load模块，为球销模型施加边界条件和载荷。

1. 创建边界条件

单击工具箱中的，弹出图2-22所示的对话框，在分析步中选择Initial，在分析步类型中选择Displacement/Rotation，单击Continue按钮，按左下角提示按Shift键选择4个锥度配合面并按鼠标中键确认。在弹出对话框中，结合当前模型坐标系，限制其自由度，按图2-23所示进行设定，并单击OK按钮确认。

2. 创建载荷

单击工具箱中的，弹出图2-24所示的对话框，在分析步中选择Step-1，分析步类型中选择Concentrated force，单击Continue按钮。按左下角提示选择球销模型上耦合点，并按鼠标中键确认，弹出图2-25所示的对话框，在CF2栏中输入任意值（如输入100），其余为0，即只在Y方向加载，然后单击OK按钮确认，边界条件及载荷视图如图2-26所示。

2.3.8 创建并提交作业

切换到Job模块。

1. 创建作业

单击工具箱中的，弹出图2-27所示的对话框，在对话框中命名为qiuxiao，然后单击Continue按钮，弹出另一对话框，参数保持默认，直接单击OK按钮确认。

2. 提交和监控作业

应用命令Job→Submit:qiuxiao，提交作业。

应用命令Job→Monitor:qiuxiao，可监控求解过程，直到进行到100次增量步才完成求解。

应用命令Job→Results:qiuxiao，自动切换到后处理模块，以查看求解结果。

2.4 查看结果

切换到Visualization模块，查看分析结果。

1. 应力和变形

单击工具箱中的，出现图2-28所示的分析结果变形图，此分析结果为求解100个增量步之后的结果图，图2-29为分析结果应力分布图。

2. 载荷和位移曲线

应用命令Tools→XY Date→Create，弹出图2-30所示的对话框，选择ODB field output，单击Continue按钮，然后依次按图2-31和图2-32进行操作。

3. 载荷-位移曲线

应用命令Tools→XY Date→Create，弹出图2-33所示的对话框，选择Operate on XY data，单击Continue按钮，弹出图2-34所示的对话框，然后在右侧Operators下选择combine(X,X)，接着依次选择XY Data下的U和CF两行数据（先选U再选CF），最后单击Plot Expression按钮，弹出图2-35所示的位移-载荷曲线。

4. 结果查询

单击工具箱中的，弹出图2-36所示的对话框，然后选择Probe values，查询位移载荷曲线上的值，分析结果如图2-37所示。由图可知，载荷加载到87554.6N时，球销开始屈服，也就是说该球销的极限载荷为87554.6N，而该球销的设计载荷为4000×9.8=39200N，所以该汽车球销的安全系数为2.23；而汽车设计里推荐的理论安全系数为1.7～2.4，所以该汽车球销在所给定载荷作用下，不会发生屈曲，完全符合设计要求。

2.5 inp文件解释

打开工作目录下的qiuxiao.inp，节选如下：

2.6 小结和点评

本讲以汽车球销为研究对象，采用Riks分析步求解其设计安全性，并详细讲解建模和分析过程。良好的球销设计能够保证汽车操纵的稳定性、行驶的平顺性和舒适性等，同时，球销作为汽车转向系统中传递载荷的重要零件，对其进行有限元分析预测是必不可少的。

点评：魏先潘CAE高级工程师
宁波舜宇光电信息有限公司

第3讲 钢管缩孔下料长度分析

主讲人：谢卫亮

3.1 概述说明

钢管缩孔是将钢管端部直径缩小的成型工艺，钢管在轴向压力作用下逐渐进入缩孔模内，此时钢管材料开始发生塑性变形，直到钢管通过缩孔模进入整形区内，在此区域内钢管直径不发生变化，而是始终保持缩孔模整形区的模腔尺寸。

缩孔工艺被广泛应用于管件接插、汽车油管、汽车拉杆、风管、空调管等连接部位的加工成型，但在实际加工过程中有不少问题，如钢管缩孔前下料长度的确定。对于此类问题，如今都是通过多次生产试验来最终确定其下料长度，这样既浪费时间，又浪费材料，故需要通过有限元分析提前确定其下料长度。

3.2 问题描述

以图3-1所示的（35～50）×8缩孔钢管为例，采用接触分析与静力分析求解钢管缩孔过程中钢管的变形量，确定其下料长度，并详细讲解建模和求解过程。

图3-2所示为（35～50）×8钢管缩孔前尺寸图，材料为35#钢，密度为7.85×10-6kg/mm3，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3，根据机械性能拉伸曲线测量并换算得到屈服应力与塑性应变对照参数表，如图3-3所示。缩管模的材料为Cr12MoV，硬度为70～80HRC，具体尺寸如图3-4所示，压头尺寸任意。

3.3 模型创建

3.3.1 建立缩管模、钢管及压头草图

1. 创建草图

切换到Sketch模块，创建缩管模、钢管及压头模型。

单击工具箱中的，弹出对话框，然后单击Continue按钮，接着在图示草图模块内绘制缩管模草图、钢管草图及压头草图，最后按各零部件尺寸要求标注尺寸，如图3-5～图3-7所示，完成后按鼠标中键确认退出草图模块；最后应用命令File→Save as保存模型为suoguan.cae。

2. 模型重命名

如图3-8所示，在树目录的Model-1单击鼠标右键，选择重命名（Rename），命名为suoguan。

3.3.2 创建各部件模型

切换到Part模块,创建各部件模型。

1. 创建可变形钢管模型

单击工具箱中的，弹出图3-9所示的对话框，创建可变形钢管模型gangguan；然后按图3-9设置，单击Continue按钮；接着单击工具箱中的，在弹出的对话框中确认并按鼠标中键再次确认，出现图3-10所示的草图，最后删除多余线条，只保留钢管草图，并按鼠标中键确认，完成钢管模型的创建，如图3-11（a）所示。

2. 创建缩管模和压头模型

按上述方法分别创建解析刚性缩管模模型suoguanmo和解析刚性压头模型yatou，具体模型如图3-11（b）和图3-11（c）所示。

3. 为解析刚性模型定义参考点

应用命令Tools→Reference Point，然后根据窗口左下角的提示，在缩管模型上任选一点定义参考点，如图3-12所示。按同样方法为压头定义参考点，如图3-13所示。

3.3.3 定义材料属性

切换到Property模块，为Part:gangguan定义材料。

1. 创建材料属性

单击工具箱中的，弹出图3-14所示的对话框，先将材料命名为gangguan，然后单击Mechanical,分别选择Elastic和Plastic，设置弹性参数和塑性参数，弹性参数中设置杨氏模量为210000MPa、泊松比为0.3。根据图3-3为钢管设置塑性参数。

2. 创建截面属性

单击工具箱中的，弹出图3-15所示的对话框，将截面命名为gangguan，单击Continue按钮，弹出图3-16所示的对话框，选择gangguan材料，单击OK按钮确认。

3. 指派截面属性

单击工具箱中的，按窗口左下角的提示选择整个钢管模型并按鼠标中键确认，弹出图3-17所示的对话框，在对话框中选择gangguan截面并单击OK按钮确认。

3.3.4 创建装配

切换到Assembly模块，将suoguan模型装入。

单击工具箱中的，弹出图3-18所示的对话框，在对话框中按住Shift键，然后选择gangguan、suoguanmo及yatou并单击OK按钮确认。

3.3.5 创建分析步

切换到Step模块，为suoguan分析设置分析步。

单击工具箱中的，弹出图3-19所示的对话框，创建第1个分析步，选择Static,General分析类型并单击Continue按钮，弹出图3-20所示的对话框，在Basic选项卡下Nlgeom后面选择ON，然后切换到Incrementation选项卡，按图3-20所示设置参数，最后单击OK按钮确认。

按同样的方法创建第2个分析步，切换到Incrementation选项卡，按图3-21所示设置参数，最后单击OK按钮确认。

3.3.6 创建接触

切换到Interaction模块，为suoguan模型定义接触。

1. 定义接触属性

单击工具箱中的，弹出图3-22所示的接触属性定义对话框，参数保持默认，然后单击Continue按钮，在弹出的对话框中单击OK按钮。

2. 定义接触面

单击工具箱中的，弹出图3-23所示的定义接触对话框，在Step中选择Initial，其他参数保持默认，并单击Continue按钮，然后根据窗口左下角提示，先选择压头模型作为主表面（选择与钢管接触的面为主表面），再选择钢管顶面作为从表面，如图3-24所示，并按鼠标中键确认，弹出图3-25所示对话框，并按图示设置好参数后单击OK按钮确认。

按上述方法设置钢管与缩管模的接触面，将分析步设为Step-1，如图3-26所示，并选择图3-27所示的接触面，其余参数同上。

3.3.7 创建边界条件

切换到Load模块，为缩管模模型施加边界条件。

1. 创建边界条件

单击工具箱中的，弹出图3-28所示的对话框，在分析步中选择Initial，在分析步类型中选择Displacement/Rotation，单击Continue按钮，在对话框中选择缩管模模型中的参考点并按鼠标中键确认，弹出图3-29所示的对话框，并按图3-29限制自由度，再单击OK按钮确认。

2. 创建位移载荷

单击工具箱中的，弹出图3-30所示的对话框，在分析步中选择Step-1，在分析步类型中选择Displacement/Rotation，单击Continue按钮，在对话框中选择压头模型中的参考点并按鼠标中键确认，弹出图3-31所示的对话框，并在Y方向上给压头添加-4mm的位移载荷，再单击OK按钮确认。然后应用命令BC→Manger，弹出图3-32所示的对话框，选择Modified，单击Edit按钮，弹出图3-33所示的对话框，在弹出的对话框中给U2方向添加-90mm的位移载荷，并单击OK按钮确认。

3.3.8 网格划分

切换到Mesh模块，对Part: gangguan划分网格。

1. 设置网格参数

单击工具箱中的，设置钢管全局种子尺寸(Approximate global size)为2，并单击OK按钮确认，如图3-34所示。然后单击工具箱中的，进行网格属性设置，弹出图3-35所示的对话框，单元形状选择四边形（Quad），网格划分技术选择自由网格（Free），算法选择进阶算法（Advancing front），同时勾选该选项下的复选框。

2. 网格划分

设置完成后单击工具箱中的并按鼠标中键确认，完成钢管模型网格划分，如图3-36所示。

3. 定义单元类型

单击工具箱中的，根据窗口左下角的提示，定义全部单元类型，按图3-37所示定义CAX4I单元类型。

3.3.9 创建并提交作业

切换到Job模块。

单击工具箱中的，弹出图3-38所示的对话框，在对话框中命名为suoguan，然后单击Continue按钮，弹出另一对话框，参数保持默认，直接单击OK按钮确认。

应用命令Job→Submit: suoguan，提交作业。

应用命令Job→Monitor:suoquan，可监控求解过程，直到位移达到设定位移量才求解完成。

应用命令Job→Results:suoguan，自动切换到后处理模块，以查看求解结果。

3.4 查看结果

切换到Visualization模块，查看分析结果。

1. 查看分析结果

单击工具箱中的，出现图3-39所示的分析结果图，此为位移到达给定值之后的结果，其应力标尺如图3-40所示。

2. 输出顶点位移曲线

应用命令Tools→XY Date→Create，弹出图3-41所示的对话框，选择ODB field output，单击Continue按钮，弹出图3-42所示的对话框，在对话框中依次选择图3-42所示内容，再切换到Elements/Nodes选项卡，如图3-43所示。根据窗口左下角提示，选择钢管端部任意一个顶点，按鼠标中键确认，如图3-44所示，再单击对话框中的按钮输出位移曲线，如图3-45所示。

3. 结果查询

单击工具栏中的，弹出图3-46所示的对话框，然后选择Probe values，查询时间位移曲线上的值，得出钢管下降94mm后，钢管端部节点的位移为103.67mm，即钢管端部缩小之后，变长值为103.67-94=9.67mm。而经过实验测量后的值为10mm，因此该分析结果的误差值为|10-9.67|/10=3.3%，由分析结果知设计符合要求。

3.5 inp文件解释

打开工作目录下的suoguan.inp，节选如下：

3.6 小结和点评

缩孔工艺被广泛应用于管件接插、汽车油管、汽车拉杆、风管、空调管等连接部位的加工成型，实际加工过程中需提前确定钢管缩孔前下料长度。本讲通过静力接触分析，详细讲解部件和材料属性的建立、分析步和接触属性建立、网格划分、求解和后处理等，正确得到钢管缩孔的变形量，减少试验次数，节省开发时间，并节约材料。

点评：黄在伟　产品开发总监
深圳市银宝山新科技股份有限公司

第4讲 螺纹啮合接触分析

主讲人：龙逢兵

4.1 概述说明

本讲以图4-1所示的六齿啮合的M14螺栓和螺母为例，采用隐式动力分析，详细讲解在HyperMeshV12.0的建模和前后处理，以及导出至Abaqus 2017进行求解的方法。

4.2 问题描述

图4-1所示为常用的GB/T196-2003普通M14螺纹联接组合：螺栓和螺母。螺母材料为45钢，螺栓材质为35CrMn，见表4-1。

工程实际中，螺栓的螺纹面与螺母的螺纹面受力接触，通常出现螺栓第一齿断裂和螺帽断落，经分析在螺母第一齿及螺帽根处会出现较大应力。

4.3 模型创建

4.3.1 导入几何

» 选择求解器模板

打开HyperMesh V12.0，应用命令Load the Abaqus User Profile→Standard3D模板，如图4-2所示。

» 导入几何部件

应用命令File→Import→Geometry，导入资源中本节几何文件Thread.iges，其余选项按图4-3所示进行设置。

» 重命名模型

如图4-4所示，分别在树目录的lvl4和lvl5组件上单击鼠标右键，重命名（Rename）lvl4为Nut，lvl5为Bolt，然后另存为Thread。

4.3.2 网格划分

1. Nut组件网格划分

» 显示Nut组件和使它作为当前工作对象

在树目录的Nut组件上单击鼠标右键，选择Isolate Only单独显示和Make Current使其为当前工作对象。

» 几何清理

应用命令Geom→Edge Edit→Toggle或Geom→Quick Edit→Toggle Edge，拓扑掉多余的边线，如图4-5所示。

» 创建节点

应用命令Geom→Nodes→Extract Parametric，在Nut组件的上平面边线上创建2个节点（Node1和Node2），如图4-6所示。

应用命令Geom→Distance→Two Nodes，在Node1和Node2间建立中间Node3，如图4-7所示。

» 建立切割圆线

应用命令Geom→Lines→Circle Center and Radius，在XY平面上建立中心点为Node3，半径为7.7mm的圆，如图4-8所示。

» 分割实体

应用命令Geom→Solid Edit→Trim With Lines→with sweep lines，沿上一步骤生成的切割圆线在z向贯穿切开此零件，此零件被分成两个体，如图4-9所示。

» 创建中间节点

应用命令Geom→Nodes→Extract Parametric，在边线line3上创建中间Node4，如图4-10所示。

» 分割内半齿面

应用命令Geom→Quick Edit→Split Surf-Line和Split Surf-Node，沿中心Node4分割Nut组件的对称面，如图4-11所示。

» 2D半齿网格生成

应用命令2D→Ruled，生成四边形网格，单元数量如图4-12所示。

» 对称复制网格

应用命令Tool→Reflect，沿z向复制上一步骤生成的半齿网格，如图4-13所示。

» 移动复制网格

应用命令Tool→Translate，沿N1至N2方向复制上一步骤生成的网格6次，如图4-14所示。

» 删除半齿长网格

应用命令Tool→Delete，删除多余的半齿网格。

» 合并单元

应用命令Tool→Faces→Equivalence，合并以上生成容差在0.01mm范围内的网格，如图4-15所示。

» 对应网格生成

重复以上操作步骤，生成对应网格的6.5个齿长网格，如图4-16所示。

» 3D网格扫掠生成

应用命令3D→Soid Map→General，扫掠生成周向网格密度为21的3D六面体网格，此时将在树目录上自动创建solidmap组件，如图4-17所示。

» 2D网格生成

应用命令2D→Ruled，选取刚生成实体单元边上的节点和对应的边缘线，同理两次生成图4-18所示的2D网格。

» 合并单元

应用命令Tool→Faces→Equivalence，再次合并上一步骤生成容差0.01mm范围内的2D网格。

» 抽取临时表面网格

应用命令Tool→Faces→Find Faces，抽取solidmap组件的表面网格，将在树目录上生成临时^faces组件。

» 3D网格生成

应用命令3D→Soid Map→General，沿上一步临时^faces组件的面网格生成六面体网格，如图4-19所示。

» 删除2D单元

应用命令Tool→Delete，删除Nut组件上生成的2D四边形网格。

» 调整单元组件

应用命令Tool→Organize→Move，将solidmap组件上的六面体网格移到Nut组件，如图4-20所示。

» 删除组件

按住Ctrl键单击选中树目录的solidmap和^faces组件，再单击鼠标右键选择Delete删除，此时只剩下Nut和Bolt组件，如图4-21所示。

» 网格检查

应用命令Tool→Check Elems→3D，检查六面体的Aspect Ratio和Jacobian，如图4-22所示。

2. Bdt组件网格划分

» 显示Bolt组件和使它作为当前工作对象

在树目录的Bolt组件上单击鼠标右键，选择Isolate Only单独显示和Make Current使其为当前工作对象。

» 建立切割圆线

应用命令Geom→Lines→Circle Center and Radius，在XY平面上建立中心点为Node3，半径为5.4mm的圆，如图4-23所示。

» 分割实体

应用命令Geom→Solid Edit→Trim With Plane/Surf→with surfs，沿螺帽底面切割，如图4-24所示。

应用命令Geom→Solid Edit→Trim With Lines→with sweep lines，沿上一步骤生成的切割圆线在z向贯穿切开显示实体，此件被分成4个体，如图4-25（a）所示。

同理，Bolt组件被切割成5个体，如图4-25（b）所示。

» 显示单元

单击树目录Nut组件中的，将显示Nut组件的所有单元。

» 分割外半齿面

应用命令Geom→Quick Edit→Split Surf-Line和Split Surf-Node，借助Nut组件的节点把Bolt组件的对称面分割成如图4-26所示。

» 2D半齿网格生成

应用命令2D→Ruled，生成四边形网格，单元数量如图4-27所示。

» 对称复制网格

应用命令Tool→Reflect，沿z向复制上一步骤生成的半齿网格，如图4-28所示。

» 移动复制网格

应用命令Tool→Translate，沿z向复制上一步骤生成的全齿网格9次。

» 删除半齿长网格

应用命令Tool→Delete，删除多余的半齿网格，生成的9.5齿长网格如图4-29所示。

» 合并单元

应用命令Tool→Faces→Equivalence，合并以上生成的容差在0.01mm范围内的网格，如图4-30所示。

» 对应网格生成

重复以上操作步骤，生成对应网格的9.5个齿长网格，如图4-31所示。

» 3D网格生成

应用命令3D→Soid Map→General，扫掠生成周向网格密度为21的3D六面体网格，如图4-32所示。

» 抽取临时表面网格

应用命令Tool→Faces→Find Faces，抽取上一步骤生成的实体网格的表面网格，将在树目录上生成临时^faces组件。

» 3D网格生成

应用命令3D→Soid Map→End Only，沿上一步临时^faces组件顶面网格生成六面体网格，如图4-33所示。

» 实体网格生成

同理，抽临时表面和实体映射，生成图4-34所示的实体网格。

» 创建中间节点

应用命令Geom→Distance→Two Nodes，创建两节点的中间节点，如图4-35所示。

» 移动复制节点

应用命令Tool→Translate，沿x向和y向2.5mm复制中间节点，如图4-36所示。

» 切割实体面

应用命令Geom→Quick Edit→Split Surf-Line和Split Surf-Node，沿上一步骤生成的节点分割面如图4-37所示。

» 2D网格生成

应用命令2D→Ruled，生成四边形网格，单元数量如图4-38所示。

» 合并单元

应用命令Tool→Faces→Equivalence，合并以上容差在0.01mm范围内的所有网格。

» 抽取临时表面网格

应用命令Tool→Faces→Find Faces，抽取图4-39所示的实体网格的表面网格。

» 几何清理

应用命令Geom→Edge Edit→toggle或Geom→Quick Edit→Toggle Edge，拓扑掉多余的边线，如图4-40所示。

» 3D网格生成

应用命令3D→Soid Map→General，沿上一步生成的临时^faces组件的面网格生成六面体网格，如图4-41所示。

» 调整单元组件

应用命令Tool→Organize→Move，将solidmap组件上的六面体网格移到Bolt组件。

» 删除组件

按住Ctrl键单击选中树目录的solidmap和^faces组件，再单击鼠标右键选择Delete删除，此时只剩下Nut和Bolt组件，如图4-42所示。

» 刷新单元类型

应用命令1D/2D/3D→Elem Types→2D&3D，选择全部单元刷新四边形单元为S4R、六面体单元为C3D8I，如图4-43所示。

» 删除S4R单元

应用命令Tool→Delete，删除以上建立的四边形单元S4R，如图4-44所示。

» 删除临时节点

应用命令Geom→Temp Nodes，删除全部临时节点，如图4-45所示。

» 重新排序

应用命令Tool→Renumber→All，全部重新排序节点和单元号，如图4-46所示。

» 网格检查

应用命令Tool→Check Elems→3D，检查六面体的Aspect Ratio和Jacobian。

4.3.3 创建集

为方便后续定义边界条件和载荷，创建节点集、单元集。

1. 创建节点集

» 创建对称边界节点集Set-Node-Sym-y

应用命令Analysis→Entity Sets→Create，命名Set-Node-Sym-y，选取y向坐标为0的全部节点，如图4-47所示。

» 创建固定边界节点集Set-Node-fix

创建步骤同上，命名为Set-Node-fix，选取Nut组件外部节点，如图4-48所示。

2. 创建单元集

» 创建受力面单元集Set-Elems

先隐藏Nut组件。同上，命名为Set-Elems，选取Bolt组件螺帽最外两圈单元，如图4-49所示。

4.3.4 创建属性

1. 创建螺母Nut材质45钢

单击工具箱中的材质属性，如图4-50所示。

» 命名：对话框中Mat Name为Material-45

» 类型：对话框中Type为MATERIAL

» 卡片信息：对话框中Card Image为ABAQUS_MATERIAL

» 弹塑性参数：按表4-1填入相应数据

2. 创建螺栓Bolt材质35CrMn

单击工具箱中的，如图4-50所示

» 命名：对话框中Mat NAME为Material-35CrMn

» 类型：对话框中Type为MATERIAL

» 卡片信息：对话框中Card Image为ABAQUS_MATERIAL

» 弹塑性参数：按表4-1填入相应数据

3. 创建螺母Nut截面属性

单击工具箱中的截面属性，如图4-51所示

» 命名：对话框中Prop Name为SolidSection-45

» 类型：对话框中Type为SOLID SECTION

» 卡片信息：对话框中Card Image为SOLIDSECTION

» 材质：选择材质Material-45

4. 创建螺栓Bolt截面属性

单击工具箱中的，如图4-51所示。

» 命名：对话框中Prop Name为SolidSection-35CrMn

» 类型：对话框中Type为SOLID SECTION

» 卡片信息：对话框中Card Image为SOLIDSECTION

» 材质：选择材质Material-35CrMn

5. 指派螺母Nut截面属性

单击工具箱中的组件属性，选择Assign，如图4-52所示。

» 组件：对话框中Comps选取Nut组件

» 截面：对话框中Property选取SolidSection-45

6. 指派螺栓Bolt截面属性

单击工具箱中的，选择Assign，如图4-52所示

» 组件：对话框中Comps选取Bolt组件

» 截面：对话框中Property选取SolidSection-35CrMn

4.3.5 创建接触

单击宏菜单中的，选择Contact Manager。

1. 创建主接触面

选择Surface选项卡，单击New按钮，弹出Create New Surface对话框；命名主接触面Name：Sur_M1，类型Type为Element Based，单击Create按钮。弹出Element Based Surface,Name: Sur_M1对话框，按图4-53（b）所示选择Define选项卡，定义基于实体单元的表面Define surface for:3D solid,gasket，创建Bolt组件的螺纹外表面为主接触面（红色部分）。

2. 创建次接触面

同理，创建Nut组件内螺纹表面为次接触面，并命名为Sur_S1，如图4-54所示。

3. 创建受力面

选择Surface，单击New按钮，弹出Create New Surface对话框；命名受力面Name: Sur_Elems，类型Type为Element Based，单击Create按钮。弹出Element Based Surface,Name: Sur_Elems对话框，按图4-55所示选择Define选项卡，定义基于单元集的表面Define surface for:element set，创建单元集Set-Elems的受压力面。

4. 创建接触属性

选择Surface Interaction选项卡，单击New按钮，弹出Create New Surface Interaction对话框，命名接触属性Name为Inter1。弹出Surface Interaction，Name: Inter1对话框，如图4-56所示。

» Define选项卡：勾选Surface behavior和Friction复选框

» Surface behavior选项卡：Penalty选为Linear，其他保持默认设置

» Friction选项卡：定义摩擦系数Friction Coeff为0.15，其他保持默认设置

5. 创建接触对

选择Interface选项卡，单击New按钮，弹出Create New Interaction对话框；命名接触对Name为Cont_Pair1，Type为Contact Pair，单击Create按钮。弹出Name: Cont_Pair1，Type: Contact Pair对话框，如图4-57所示。

» Define选项卡：次接触面Slave为Sur_S1，主接触面Master为Sur_M1，接触属性Interaction为Inter1

» Parameter选项卡：位置误差限度Adjust设为0.01，离散方法Type选用SURFACE -TOSURFACE，接触状态跟踪方法为Small sliding

4.3.6 创建分析步

单击宏菜单中的按钮，选择Step Manager，单击New按钮，弹出Create New Step对话框；命名分析步Name为Step-1，单击Create按钮，弹出Load Step: Step-1对话框，如图4-58所示。

1. 创建分析参数

选择Parameter，勾选Name、Increment:2000、Nlgeom:no,单击Update按钮。

2. 创建分析类型

选择Analysis procedure，Analysis type选择Dynamic，分析步增量参数如图4-59所示，初始增量为0.01，时间周期为1，最小、最大增量分别为1e-5和0.1，单击Update按钮。

3. 创建位移边界

选择Boundary单击New按钮创建对称边界条件，Name为Sym-y；定义边界类型Type:Default（disp），边界集Node sets选择Set-Node-Sym-y，定义y向对称边界自由度2、4、6为0，如图4-60（a）所示。

同理定义固定边界条件，Name为fix；定义边界类型Type:Default（disp），边界集选择Set-Nodefix，定义固定边界自由度1～6为0,如图4-60（b）所示。

4. 创建压强载荷

选择Surface Loads下的DSLOAD单击New按钮创建压强载荷，Name为Pressure。Define选项卡中定义载荷类型Type:Default（Pressure），受力面Define Dsload On Surface选择Sur_Elems，标签Label选取P，压强值为50MPa。

选择Parameter选项卡，定义压强幅度曲线，勾选Amplitude Curve，单击Review/Edit Rest弹出曲线编辑器Curve Editor，再次单击New按钮给曲线Name为Ampl-Smooth, 按图4-61（b）所示填入曲线参数后关闭；单击Card Edit按钮选取曲线平滑系数SMOOTH为0.05。

5. 创建结果输出

选择Output Request，单击New按钮创建变量输出，Name为Output,如图4-62所示。

激活Odb File结果输出文件，其包括场变量输出和历史变量输出。

Output选项卡：勾选场变量输出Output：field、节点输出Node Output、单元输出Element Output、接触输出Contact Output、输出名Name: Output、输出频率Frequency:5。

Node Output选项卡：位移输出Displacement-U。

Element Output选项卡：应力Stress-S、应变Strain-E、塑性应变Strain-PE、弹性应变Strain-EE。

Contact Output选项卡：接触压强Contact-Cstress、相对切向滑移Contact-Cdisp。

激活Result File（.fil）结果输出文件，其文件为第三方软件提供结果查看，同上选择需要查看的结果内容。

激活Data File（.dat）结果输出文件，其内容可用文本查看器查看，同上选择需要查看的结果内容。

4.3.7 重起数据输出

如果希望以后进行重启动分析，则需要生成重启动.res文件。激活Restart Write,勾选Restart Write、Overlay、Frequency: 5并单击Update按钮刷新。

4.3.8 导出计算文件

单击工具箱中的，选择类型File type: Abaqus、模板Template:Standard3D、文件导出路径File：E:\Exam\ Thread.inp ,其他保持默认，如图4-63所示。

4.3.9 创建并提交作业

新建记事本填入图4-64所示的内容，把文本后缀.txt改成批处理文件后缀.bat，将此文件放于Abaqus安装目录D:\temp中并双击它进行求解。

4.4 查看结果

查看E:\Exam目录中的文件，将会发现文件数目比默认设置中多出Thread.fil、Thread.res两个文件，同时Thread.dat文件大小增加。

1. 运行状态

双击E:\Exam目录中的Thread.sta文件，查看求解收敛情况。如图4-65所示，可知每个增量步INC中的折减次数ATT都为1，并且时间增量步长INC OF TIME/LPF呈递增趋势，这将大大节省计算时间。

2. 接触压力

打开HyperView V12.0，在菜单栏下打开模型结果Thread.odb文件，单独显示螺母Nut组件，如图4-66所示，可知接触压力由第一齿到最后一齿呈现下降趋势，最大值发生在第一齿处。

3. 应力分布

利用HyperView V12.0查看Mises应力场分布，如图4-67所示，可知螺母最大应力发生第一齿根处，其值为301.3MPa；螺栓最大应力发生螺帽根处，其值为679.7MPa。

读者可单独显示与螺母接触的螺栓齿数单元，会发现最大应力也将发生在图4-68所示的第一齿根处。

4.5 讨论

1. 关于应力

当仔细观察螺栓螺帽处的应力时，会发现应力不连续，当改变它的显示方式为网格线模式时，在应力不连续处有单元突变，如图4-69所示，此时需要细化单元，使它均匀过渡。

2. 关于收敛

此例定义了幅度曲线Ampl-Smooth，读者可以删除此曲线再做求解，看看出现什么结果。

4.6 inp文件解释

打开工作目录下的Thread.inp，节选如下：

4.7 小结和点评

本讲以螺纹连接的安全可靠性为分析对象，详细讲解了非线性隐式动力分析在HyperWorks中的设置、HyperWorks和Abaqus接口、接触收敛的调试和讨论，以及关键字修改等；依次对工程实际中的螺纹面与螺母的螺纹面进行受力接触分析，以在设计中发现螺栓齿的断裂和螺帽断落风险。

点评：聂文武　结构分析工程师
潍柴动力上海研发中心计算分析所

第5讲 螺栓预紧接触分析

主讲人：罗元元

5.1 概况说明

螺栓连接是工程中最常用的部件连接紧固方式之一，涉及多部件的复杂接触，本讲详细演示此类复杂接触问题的建模方法及螺栓载荷的施加方式。

本讲不关注螺栓和螺母的实际螺纹特征，螺纹处的应力应变不是本讲的重点，法兰、垫片、螺母接触面上的接触压力会更加重要，因此本例不对螺纹进行精确建模，螺栓与螺母的内表面之间采用绑定约束，同时在螺栓上建立预紧面，在预紧面上通过预紧力的相关设定来模拟螺栓紧固连接的行为。

5.2 问题描述

分析对象为螺栓压紧上下法兰的紧固连接结构，上下法兰中间有一个橡胶垫片，其建模考量有以下方面。

» 考虑到结构的对称性，仅取1/4模型进行分析以节约计算成本

» 垫片为橡胶，考虑其为不可压缩材料，采用C3D8H单元，其余部件采用C3D8R

» 各接触面上采用库伦摩擦，与橡胶垫片的接触摩擦系数为0.4，其余的接触摩擦系数为0.1

» 因接触面不会出现大的滑移，选用小滑移

5.3 螺栓预紧建模

5.3.1 创建部件、网格划分及装配

本例重点在于接触的建立，不详述具体建模过程，采用脚本文件完成部件创建、网格划分、材料建立和装配等步骤。

脚本的运行可通过使用命令行：Abaqus cae startup=ws_contact_flange.py，或者在Abaqus/CAE界面，从主菜单栏中选择：File→Run Script…选择相应目录下的py文件ws_contact_flange.py。

脚本文件运行完毕后模型树及装配图如图5-1和图5-2所示。

5.3.2 创建分析步

在环境栏Module后面选择Step，进入Step模块。

单击工具箱中的（Create Step），在Create Step对话框中，Name为Tighten bolts，在Initial分析步之后插入Static, General分析步，单击Continue按钮；在Edit Step对话框的Basic标签页中，Nlgeom设为On；Incrementation标签页中的初始增量Initial和最大增量Maximum分别设为0.25和1，其他采用默认设置；单击对话框中的OK按钮完成分析步的创建。

5.3.3 创建绑定约束

螺栓与螺母之间的连接采用绑定约束定义，接触面的选择和定义通过自动查找接触对的方式来选择。

在环境栏Module后面选择Interaction，进入Interaction模块。

单击工具箱中的（Find Contact Pairs），在Find Contact Pairs对话框中，Search domain选择为Instance，单击Picked后的箭头图标，选择Viewport中的Bolts和Nuts部件；单击Find Contact Pairs按钮，查找到接触对，如图5-3所示；选择Type下的所有单元格，单击鼠标右键选择Edit Cells，在弹出的对话框中选择Tie constraint，单击OK按钮即可切换成绑定约束。

5.3.4 创建接触属性

为方便后续为接触对指派接触属性，先创建接触属性。鼠标双击模型树的Interaction Property弹出Create Interaction Property对话框，进行如下设置。

» 命名接触属性为Friction-0p1，选择Type为Contact

» 编辑接触的切向属性，Edit Contact Property→Mechanical→Tangential Behavior

» Friction Formulation选择Penalty，摩擦系数Friction Coeff设为0.1

» 编辑接触的法向属性，Edit Contact Property→Mechanical→Normal Behavior。约束增强方式选项Constraint enforcement method选择Penalty

» 重复上述步骤建立接触属性Friction-0p4，摩擦系数设为0.4

5.3.5 创建接触

可采用接触对的方式建立接触，亦可通过通用接触的方式来建立接触。两种方法都适合此例的接触建立，详细操作如下。

1. 接触对方法

单击工具箱中的（Find Contact Pairs），在Find Contact Pairs对话框中分离公差（Include Pairs Within separation tolerance）设为0.001，单击Find Contact Pairs按钮，共查找到20对潜在的接触对；应用Ctrl+H组合键调用Edit Visible Columns对话框，显示主从面所在的部件名，如图5-4所示；据此删除Bolts-Nuts已定义为绑定约束的接触对。

以Slave Instance Name顺序排列接触对，按住Ctrl键，同时复选Property栏对应Gasket部件的接触对，单击鼠标右键选择Edit Cells，更改为接触属性Friction-0p4，如图5-5所示。

以Separation顺序排列接触对，按住Ctrl键，同时复选Adjust栏对应的接触对，单击鼠标右键选择Edit Cells，定义接触调整公差0.01，以保证所有平面接触的接触对在初始为接触状态，如图5-6所示。

按住Ctrl键，同时复选Sliding栏下的所有接触对单元格，单击鼠标右键选择Edit Cells，更改滑移为Small Sliding。单击OK按钮关闭对话框完成接触对的创建；在模型树Interactions和Constraints确认接触对及绑定约束的创建。

2. 通用接触方法

» 创建全局通用接触

鼠标双击模型树的Interaction，弹出Create Interaction对话框，Step选择为Initial，Type选择为General Contact（Standard），单击Continue按钮，Global Property assignment选择为Friction-0p1，完成通用接触的建立。

» 定义细化通用接触所需的面集合

转到模型树下的Part，逐个展开部件，在Part层级定义Surface，详细信息如图5-7所示。

展开模型树的Assembly→Surfaces，按快捷键F2，以关键字*nut过滤显示面，复选所过滤的3个面集合，单击鼠标右键选择Boolean按钮，在弹出的对话框中选择Union，命名为allNuts；以同样方式过滤*head，创建面集合allHeads，如图5-8所示。

» 定义初始接触调整

单击模型树下Contact Initialization→Create, 命名为adjust, 在Adjustments→Ignore initial openings greater than:→Specify value: 0.01。

鼠标双击模型树下Interactions→Edit Interaction→Initialization assignments→Edit, 如图5-9所示；单击OK按钮完成初始接触调整的细化设置。

» 细化接触对的接触属性设置

在Edit Interaction对话框中，在Individual property assignments单击编辑，更改与Gasket相关的接触为接触属性Friction-0p4，如图5-10所示。

单击OK按钮完成通用接触的所有设置。

5.3.6 创建加载与边界

切换到Load模块。

1. 定义预紧力的加载

应用命令Load→Create，单击工具箱中的（Create Load），在弹出的Great Load对话框中，Step选择为Tighten bolts，Category选择Mechanical，Types for Selected Step为Bolt load，单击Continue按钮；在Region Selection对话框的Name filter中使用关键字*bolt*过滤选择预紧力的加载面，单击Continue按钮，选择预紧力加载的轴线，应用命令View→Assembly Display Options→Datum，勾选show datum coordinate axes，从装配图显示轴中选择预紧力加载的轴线，在弹出的Edit Load对话框中，Method设为Apply force，Magnitude设为200，单击OK按钮完成设置。具体设置如图5-11所示。

重复以上步骤，为两个螺栓建立预紧力加载，因为是1/2模型，故幅值为100。

○ 1. 施加预紧力的方式有两种，分别为Apply force和adjust length。若选择Apply force的方式，幅值代表预紧力的力值，预紧力通常可通过公式计算得到，其中Pi为螺栓预紧力，T为螺栓扭矩，k为扭矩系数，d为螺栓标称直径。k值与螺纹中径、螺纹升角、螺纹当量摩擦系数、螺母与被连接件支承面间的摩擦系数等有关。这些参数的取值都比较复杂。一般要通过有针对性的试验才能准确地计算出k值。若无法从信赖的文献中查得，可采用初步的计算公式，此处不做详述。

2. 预紧力加载面在不同的位置时对螺栓本身的分析是有较大影响的，但对螺栓以外的部件影响很小，此例中，关注的是螺栓连接的部件并非螺栓本身，因此不用考虑太多其位置影响。

2. 定义边界条件

应用命令BC→Create，或单击工具箱中的（Create BC），弹出Creat BC对话框，Name定义为Csymm-x，Step选择Tighten bolts，Type for selected step选择Displacement/Rotation，单击Continue按钮，选择已定义的节点集Csymm-x，单击Continue按钮，勾选U1，单击OK按钮完成1/4模型对称边界设置。同理，设置Csymm-z，选择节点集Csymm-z，约束U3；设置Bottom，选择节点集Bottom，约束U2；完成边界条件的设置。

5.3.7 创建并提交作业

切换到Job模块。

应用命令Job→Create，创建名为boltedFlange_1的对应Model-1的分析作业。

应用命令Job→Submit: boltedFlange_1，提交作业。

5.4 查看结果

切换到Visualization（可视化后处理）模块。

1. 变形状况

如图5-12所示，在Visualization模块中，采用图示方式叠加显示变形前后的模型，查看部件的变形结果，从结果显示来看，并没发生大的变形，且部件之间的相对位移很小，适用于所做的小滑移假设。

2. 部件间接触状况

从模型树切换到结果树Model→Results，展开boltedFlange_1.odb→Instances，选择Gasket-1，单击鼠标右键选择Replace，在视窗中单独显示Gasket部件，从Field Output工具栏中选择变量CPRESS，显示图5-13所示部件Gasket的接触压力结果，确认Gasket部件与法兰之间建立了足够牢固的接触，可达到良好的密封效果。同理，显示图5-14中Bolts和Nuts上的接触压力结果。

3. 法兰部件应力

在视窗中单独显示topFlange部件，Field Output工具栏变量切换为S，应用命令Tools→View Cut→Manager开启View Cut Manager对话框，可从不同截面观察法兰部件内部的应力结果，如图5-15所示。

截面视图的选项可通过View Cut Manager对话框中的Options按钮来调整其显示方式，如渲染、边线显示、透明度等，以达到满意的视图效果，此处各选项不做详述。

4. Gasket径向结果

在视窗中单独显示Gasket部件，再从Results树中选择Path，单击鼠标右键创建选择Node list，选择Gasket上径向节点如图5-16所示，单击Done按钮完成路径建立。从后处理工具栏中单击Creat XY Plot图标，选择Path依路径创建。在弹出的对话框中选择已建立的路径Path-1，其余选项如图5-16所示，单击Plot按钮完成沿径向路径的接触压力曲线的绘制，其结果如图5-17所示。

5.5 inp文件解释

打开工作目录下的boltedFlange_1，节选如下：

5.6 小结和点评

本讲以螺栓预紧力连接的法兰为分析目标，详细讲解了接触和预紧力的设置等复杂问题。螺栓连接是工程常用的部件连接方式，大多数情况并不关注螺栓和螺母的实际螺纹特征，而着眼于法兰、垫片、螺母接触面上的接触压力，以为螺栓选型、螺钉布置提供设计指导。

点评：陶明川 CAE资深工程师
德尔福派克电气系统有限公司

第6讲 垫片密封接触分析

主讲人：武跃维

6.1 概述说明

垫片是一个广泛用于汽车、化工、动力机械、电子等各种领域的密封部件，其特点是不承担结构支撑，主要靠变形行为来保证密封介质的不外泄或不渗入。

图6-1为垫片的一些关键几何特性的描述。垫片单元由具有一定厚度的上下两个面组成（top face和bottom face）。利用top face和bottom face沿垫片厚度方向或者表面的法向（normal direction）的相对运动变化量来量化垫片单元的变形行为。横向剪切行为是利用top face和bottom face相对位置在与厚度方向上正交的平面上的投影变化来表征的。

垫片单元自由度的定义如图6-2所示，在积分点上，Abaqus将厚度的方向定义为局部方向1，剪切应力位于局部1-2和1-3平面上，薄膜效应的应力位于局部的平面2-3上。方向2、3上其实在分析过程是不具有自由度的，在分析过程中Abaqus只考虑1方向上的自由度，激活方向2、3只是用于在后处理的时候输出相应的面内应力。

6.2 问题描述

本讲以图6-3所示的简易化油器模型的垫片密封过程为例，详细讲解垫片密封模拟过程的要点和螺栓加载技巧，图6-3为一个化油器的简化模型，上下与垫片连接的端盖和腔体的材质为铝合金，螺栓为钢制螺栓，中间垫片为软质密封材料。

垫片通过螺栓传递的扭矩产生螺栓力，加载到密封垫片的部位产生密封应力，腔体、端盖和垫片构成一个稳定的密封体系，对应的单个螺栓力载荷为8kN，其常用分析流程如果6-4所示。

6.3 模型创建

6.3.1 导入几何

» 创建、保存模型

打开Abaqus/CAE，创建Model Database: With Standard/Explicit Model，应用命令File→Save as保存模型为gasket_seal.cae。

» 重命名模型

如图6-5所示，在树目录的Model-1上单击鼠标右键，重命名（Rename）Model-1为Model-1_gasket。

» 导入装配体

应用命令File→Import: Assemble，导入几何装配体文件gasket-seal.x_t。

6.3.2 创建属性

切换到Property模块，创建螺栓材料、腔体、端盖和垫片单元属性。

1. 创建垫片的材料参数Gasket

在Abaqus垫片材料属性行为中可以选择3种材料行为，分别为：Gasket Thickness Behavior、Gasket Transverse Shear Elasticity和Gasket Membrane Elasticity。由图6-1与图6-2的特性可以看到，垫片剪切应力与薄膜应力是一个导出的数值，不参与计算，所以垫片材料属性中的3种垫片属性行为的变形行为是由thickness behavior确定的，transverse shear elastic和membrane elastic只用于相应的结果输出的参考量。通俗的讲，这3种作用方式是非关联的，但垫片材料属性必须定义thickness behavior参数。但某些密封状态下，垫片的变形行为并不是单纯的压缩状态，还受切应力及薄膜效应的影响，如图6-7垫片产生的弯曲情况及垫片接触面上有很大的摩擦力。

如果某一种垫片的行为对以上3种方式有关联行为，则需要利用user-defined material model解决，但对于大多数的垫片分析，更关注厚度的变化行为，切应力与薄膜效应的情况使用得并不多。

某垫片应力位移行为曲线和数值表如图6-8所示。应用命令Material→Create或单击工具箱中的（Create Material），弹出编辑材料（Creat Material）对话框。

» 命名：对话框中Name设为Gasket

» 选择Other→Gasket→Gasket Thickness Behavior，在图6-9和图6-10所示的对话框Loading选项卡中将图6-8数值表的加载过程的参数输入对话框，Pressure对应压力、Closure对应位移。在Unloading选项卡中将图6-8数值表的卸载过程的参数输入对话框，Pressure对应压力、Closure对应位移、Plastic Closure对应塑性位移

2. 创建化油器腔体和端盖材料Al_alloy

应用命令Material→Create或单击工具箱中的（Create Material），弹出编辑材料对话框。

» 命名：对话框中Name设为Al_alloy

» 机械参数：对话框中应用Mechanical→Elasticity→Elastic，定义弹性模量为69000MPa，泊松比为0.3，其余选择默认设置

3. 螺栓材料Steel

应用命令Material→Create或单击工具箱中的（Create Material），弹出编辑材料对话框。

» 命名：对话框中Name设为Steel

» 机械参数：选择Mechanical→Elasticity→Elastic，定义弹性模量为210000MPa，泊松比为0.3，其余选择默认设置

4. 创建截面属性

应用命令Section→Create或单击工具箱中的（Create Section），弹出Create Section对话框。

» 创建端盖和腔体截面属性

在Create Section对话框中，命名（Name）为Section-AL，选择Solid: Homogeneous；单击Continue按钮，在Edit Section对话框中，选择材料为Al_alloy，单击OK按钮。

» 创建螺栓截面属性

在Create Section对话框中，Name为Section-steel，选择Solid: Homogeneous；单击Continue按钮，在Edit Section对话框中，选择材料为Steel，单击OK按钮。

» 创建垫片截面属性

垫片在厚度方向的结构有时候会比较复杂，如汽车的垫片可能有几层金属甚至还会内衬橡胶，并且层与层之间的在没有压缩的时候，并不会完全贴合。内部增强层之间的空隙在Abaqus中定义为Initial void，这个初始间隙一般只是用来计算热应变和蠕变应变的。也可以用于描述垫片内部的空隙。Initial gap是指垫片的垫片闭合需要一定的压力才会开始的那个距离。图6-11为存在Initial gap的垫片在压力下材料闭合的行为曲线。

一个垫片属性中既可以包含Initial void，又可以包含Initial gap，图6-12为一个典型的既包含Initial void又包含Initial gap的垫片结构，如果在垫片中定义这两个参数，那么在垫片三维建模时候垫片厚度要包含这两个厚度值。

在Create Section对话框，命名（Name）为Section-Gasket，选项Other:Gasket；单击Continue按钮，在Edit Section对话框中，选择材料为Material Gasket，单击OK按钮，其余为默认设置，如图6-13所示。

5. 创建set合集

应用命令Tools→Set→Creat或单击左侧模型树中下对应Part的选项中的set功能，弹出Create Set对话框。

» 创建腔体的Set合集Set-cavity

应用命令Tools→Set→Creat或单击左侧模型树中下对应cavity的选项中的set功能，弹出CreateSet对话框。如图6-14所示，将set命名为Cavity,单击Continue按钮，在显示框中框选腔体的模型，单击Done按钮，完成Cavity的创建。

» 创建端盖的end_cap合集Set-end_cap

按照Cavity的操作步骤，创建端盖的set合集Set-end_cap。

» 创建法兰的Bolt合集set-bolt

按照Cavity的操作步骤，创建螺栓的set合集Set-bolt。

» 创建垫片的Gasket合集set-gasket

按照Cavity的操作步骤，创建垫片的Set合集Set-gasket。

6. 指派截面属性

应用命令Assign→Section或单击工具箱中的（Assign Section）。

» 指派垫片的截面属性

根据提示，将圆框中的对勾去掉，并单击展开Sets；如图6-15所示，选择Set-gasket，单击Continue按钮；弹出Edit Section Assignment对话框，选择Section为Section-Gasket，单击OK按钮。

同上，按照上述步骤指派螺栓、腔体、端盖的截面属性，这里不再赘述。

6.3.3 网格划分

切换到Mesh模块。选择Assemble划分网格状态。同时单击模型树中的Assemble，单击Instances展开子选项，如图6-16左图，单击bolt，同时按住Shift键全选至cavity，单击鼠标右键选择Make Independent，如图6-16右图所示。

1. 切分螺栓实体

在默认状态下螺栓和法兰是不能划分Hex六面体网格的，如果需要对模型划分Hex网格则需要对模型进行切分处理，需应用工具箱中的或应用命令Partition Cell→Define Cutting Plane命令。但是这个操作并不是必须的，采用Tet网格也是可以的，因为有些复杂结构的部件是很难进行切分Hex网格的。

单击工具箱中右下角的箭头，选择子划分选项，将除螺栓以外的模型全部隐藏，将螺栓全部选中，单击Done按钮，然后选中一个螺栓头的内侧面，因为所有的螺栓都是共面的，如图6-17左图，单击Creat Partition按钮。

对于普通的结构体，如此划分后已经完全可以满足Hex六面体网格的划分需求。但是对于螺栓，还需要给它划分一个内部载荷面。

单击工具箱中线条模式，再次单击，选择螺栓的螺柱部分，单击提示栏Point & Normal按钮选择划分方式。

单击螺柱边缘的中点，依据提示，需要选择一条垂直于切分平面的边或者坐标轴作为切分方向。选择螺栓柱面上的与螺栓轴平行的直线，作为划分的方向，单击Create Partition按钮。

2. 切分端盖实体

端盖和腔体模型的切分主要用到Use Datum Plane、Use Extrude/Sweep Edges和Use Extend Face这3种划分技术，结合使用这3种技术将腔体和端盖切分后，可以切分出符合Hex网格划分要求的Hex的Cell块，其过程略微复杂。

以端盖为例，将其他部件隐藏，选择显示end-cap实体，单击图标右下角的箭头，选择子划分选项，选择图6-18左图所示的平面作为切分的延伸面，切分模型后，如图6-18右图所示，有一部分已经为可以划分Hex网格的Cell体。

选择模型，单击图标右下角的箭头，选择子划分选项，选择图6-19左图所示的曲线（正视状态下模型中最里面的圆角正方形的周长）作为切分的曲线，端盖厚度方向为切分方向，沿该方向向内切分，切分模型后如图6-19右图所示。

选择模型，单击图标右下角的箭头，选择子划分选项，选择图6-20左图所示的平面，顶盖的内表面作为切分的延伸面，切分模型后如图6-20右图所示，此时已经有3个部分变成了黄色，还剩一圈圆角的部分没有变成黄色。

单击图标右下角的箭头，选择利用中点创建基准面，选择模型中圆角方形的两条相平行的边的中点创建基准面。如图6-21左图所示，选择模型，单击图标右下角的箭头，选择子划分选项，利用已经创建好的基准面切分无法划分Hex的圆角的部分，切分后如图6-21右图所示，到此为止端盖模型已经全部切分完毕。

按照上述思路可以对腔体的实体进行切分处理，不再赘述。

3. 定义种子

应用命令Seed→Part或单击工具箱中的（Seed Part），选择螺栓和垫片实体，设置全局种子尺寸（Approximate global size）为2；选择腔体和端盖，设置全局尺寸为4。

4. 网格划分

应用命令Mesh→Part或单击工具箱中的（Mesh Part），单击提示中Yes按钮，完成网格划分，如图6-22所示。

5. 定义单元类型

应用命令Mesh→Element Types或单击工具箱中的（Assign Element Types），根据提示框选择指定单元，定义类型腔体、螺栓、端盖为图6-23所示的C3D8R单元，定义类型垫片为GK3D8。

6.3.4 创建分析步

切换到Step模块。

应用命令Step→Create或单击工具箱中的（Create Step），弹出Create Step对话框；选择Procedure Type为General: Static，General，输入分析步名称为sealing，单击Continue按钮；Edit Step对话框如图6-24所示，其余默认，单击OK按钮。垫片加载过程为材料线性的问题，所以不需要开启几何非线性。

重复上述步骤创建lock分析步。

6.3.5 创建边界和载荷

切换到Load模块。

1. 创建螺栓的加载载荷

单击工具箱中的创建螺栓载荷。在Create Load对话框，输入Name: Load-1，选择Step: sealing，选择载荷类目Category: Mechanical，选择载荷类型为Bolt load，单击Continue按钮。将Creat surface命名为bolt-sur-1，选中图6-17右图中所有螺栓的螺栓力加载截面，单击Done按钮。选择螺栓的向内的方向为Brown，螺栓的载荷方向为Y方向。在弹出的对话框中，Magnitude输入64000N，即8个螺栓总的螺栓力。

创建螺栓载荷加载步完成后，进入载荷管理器，选择lock分析步，单击Edit按钮，编辑载荷继承属性，如图6-25右图所示。

在图6-25右图所示的Edit Load对话框中，螺栓力的继承方式（Method）有3种：①Apply force表示继承前一步的螺栓力，也可以修改为需要的螺栓力；②Adjust length表示调整螺栓的长度，可以利用长度的调整来改变螺栓力；③Fix at current length表示固定当前的螺栓长度，这一步的意义在于，在进行耦合分析的时候，尤其是热力耦合的时候，螺栓力会随着螺栓的实际状况进行自动调整。

2. 创建约束边界条件

单击工具箱中的（Create Boundary Condition），弹出图6-26左图所示的创建边界（Create Boundary Condition）对话框，Name为Fix，边界类型为Symmetry/Antisymmetry/Encastre，单击Continue按钮；选择法兰一端的上表面，单击Done按钮，选择Encastre作为约束边界，Encastre为完全约束条件。单击OK按钮，完成定义。

6.3.6 创建接触属性

垫片接触面全部是平面接触，接触情况简单，故采用Abaqus中自动查找接触对的功能实现。

切换到Interaction模块，单击工具箱中的查找接触对图标，单击Find Contact Pairs按钮，查找完成后双击Type列，将属性改为Tie。同时将图6-27右图中的Adjust属性由On改为Off。自动调整属性在默写情况下会引起零主单元，使计算无法进行。

6.3.7 创建并提交作业

切换到Job模块。

应用命令Job→Create，创建名为sealing的对Model-gasket作业。

应用命令Job→Submit: sealing，提交作业。

应用命令Job→Monitor: sealing，监控求解过程。

应用命令Job→Results: sealing，自动切换到后处理模块，以查看求解结果。

6.4 查看结果

切换到Visualization（可视化后处理）模块。

查看应力场和位移的分布如图6-28所示，从图中可以明显看到垫片的应力分布，螺栓部位相比较螺栓间隔间的应力要大一些；从图6-29的位移云图可以看到，在螺栓加载下垫片的位移的均匀的变化过程。因为垫片大部分情况下都是软质材料，所以从图6-28和图6-29中可以很清楚地看到垫片各个部位的应力及位移的变化情况。

6.5 inp文件解释

打开工作目录下的sealing.inp，节选如下：

6.6 讨论

» 切分模型的目的是为获得特征几何，只有这样才能划分出六面体Hex单元

» 划分垫片单元建议采用六面体网格，对于复杂的垫片单元，可能要重新设置垫片的扫略方向，垫片单元的划分必须保证，垫片的扫略方向是沿厚度方向进行的

» 如勾选图6-23中Thickness-direction behavior only复选框，即使垫片材料属性中定义了切应力和薄膜效应属性，在结果中也不会输出切应力和薄膜应力

» 垫片单元可以定义蠕变、热膨胀系数等热相关的参数，但是垫片的单元没有温度的自由度，所以如果需要进行热力耦合分析，应该采用顺序偶合法分析。即将垫片单元转为实体单元做热传导计算，然后将热传导的计算结果带入给垫片单元，此外，Abaqus 2018可以进行热力耦合计算

» 采用实体单元而不利用垫片单元进行分析，会有应力突变发生，如图6-30所示。故垫片单元可以很好地解决在某些情况下，由于腔体结构、法兰结构或者螺栓布置不当引起的密封失效

6.7 小结和点评

本讲以螺栓预紧垫片的密封性分析为目标，详细讲解了垫片材料非线性、垫片参数的设置及螺栓力的加载，体现了垫片单元的优势，并依此分析方法有效计算了分布于垫片各个位置的应力状态，对解决设备运行过程热胀冷缩造成的密封失效起到很大作用。

点评：刘笑天　CAE分析组组长
长城汽车传动研究院电驱动设计部