Modélisation de la précontrainte des boulons dans Abaqus : Flux de travail APPLY et FIX

Auteur: Johnny Liu, PDG de Dowway Vehicle

Publié : 2 juillet 2026

Catégorie: Analyse structurale / Méthode des éléments finis (MEF) / Ingénierie automobile

Résumé rapide

• Le mécanismeAbaqus coupe la tige du boulon et rapproche les nœuds de chaque côté pour raccourcir ce dernier. Il ne s’agit pas simplement d’appliquer une force de traction.
• Les paramètresUtilisez *Appliquer la charge du boulon pour tirer initialement. Passez ensuite à *Fixer la charge du boulon pour bloquer sa longueur pour toutes les étapes de charge suivantes.
• Le piège du noyauChaque nouvelle étape réinitialise les paramètres de vos boulons (op=NEW). Vous devez donc lister chaque boulon et le régler sur FIX à chaque étape suivante, sinon ils perdront leur tension.
• Meilleures pratiquesUtilisez une méthode en trois étapes. L’étape 1 applique la charge, l’étape 2 bloque le boulon sans autre force pour permettre au modèle de se stabiliser, et l’étape 3 ajoute vos charges de travail.

Le piège de la « réinitialisation du préchargement » dans l’analyse par éléments finis

Lorsque j’ai commencé à simuler des assemblages boulonnés et des joints haute pression chez Dowway Vehicle, j’ai rencontré un problème frustrant. Je configurais mon modèle, appliquais les précontraintes des boulons et lançais la simulation. Mais dès que les charges de travail apparaissaient à l’étape suivante, les forces exercées sur les boulons devenaient erratiques ou chutaient à zéro.

J’ai passé des heures à vérifier les paramètres des matériaux, à jouer avec la rigidité des contacts et à remailler. Finalement, j’ai trouvé le problème : J’ai oublié de verrouiller le déplacement du boulon avec la commande FIX dans les étapes suivantes.

Ce guide explique le fonctionnement interne de la précontrainte des boulons dans Abaqus, décrit un flux de travail fiable en trois étapes, détaille les mots-clés INP et présente une configuration d’étanchéité de bride réelle afin que vous puissiez éviter ces problèmes.

1. Comment Abaqus gère les charges de boulons

Une erreur fréquente consiste à croire qu’Abaqus applique la précontrainte des boulons en appliquant simplement des forces égales et opposées à leurs extrémités. En réalité, le solveur procède autrement.

Abaqus a besoin que vous définissiez un Section transversale du boulon (Un plan de coupe) à l’intérieur de la tige du boulon. Le solveur coupe ensuite la tige selon ce plan et rapproche les nœuds situés de part et d’autre. Cela raccourcit le boulon et génère la tension.

      [ Bolt Head ]
          |
    +—–+—–+  <- Section transversale du boulon (plan de coupe)
    |  Nœud A   | 
    |    | (Les nœuds s’attirent les uns les autres)
    |    v      | 
    |    ^      | 
    |    |      | 
    |  Nœud B   | 
    +—–+—–+
          |
      [ Bolt Nut ]

Du fait de cette configuration, vous devez indiquer au solveur comment gérer cette longueur réduite lors des étapes suivantes. Si vous ne modifiez pas les paramètres, Abaqus continuera de tenter de contrôler directement la force. Cela entraîne un comportement anormal du boulon lorsque des charges externes déforment la structure. C’est pourquoi il est nécessaire de passer du mode APPLY au mode FIX.

2. Les deux options : APPLIQUER vs. RÉPARER

Abaqus utilise deux commandes principales pour contrôler les charges de vos boulons pendant une exécution :

Commande	Comment ça marche	Comportement physique	Quand l’utiliser
APPLIQUER	Contrôle de la force	Abaqus tire sur le boulon jusqu’à ce que la tension corresponde à votre valeur cible.	Étape de prétention (La première étape consiste à serrer les boulons).
RÉPARER	Contrôle du déplacement	Abaqus bloque le raccourcissement du boulon à sa valeur actuelle. La longueur du boulon reste constante.	Étapes suivantes (Lors de l’ajout de charges de travail, de pression ou de chaleur).

Le danger de l’op=NOUVEAU

N’oubliez pas qu’Abaqus utilise op=NEW pour les chargements dans les nouvelles étapes. À chaque démarrage d’une nouvelle étape, Abaqus efface tous les réglages de charge des boulons précédents.

Si vous avez un groupe de boulons, vous Il faut lister chaque boulon. À chaque nouvelle étape, fixez les boulons. Si vous omettez ne serait-ce qu’un seul boulon lors de l’étape de pression, celui-ci perd sa précontrainte et se desserre complètement, ce qui fausse les résultats de contrainte de contact et provoque des erreurs de convergence.

3. Étude de cas étape par étape : Joint à bride et étanchéité par joint

Prenons l’exemple d’un assemblage de bride de tuyauterie standard à 4 boulons. Nous appliquerons d’abord la précontrainte des boulons, puis la pression interne.

                  [ 5 MPa Internal Pressure ]
                            | |
                            vv
            +———————————–+
            |            Bride supérieure           |
            +—+—+——————-+—+—+
                |   | [Soft Gasket]    |   |
                | B | ================ | B |
                | o |                     | o |
                | l | ================ | l |
                | t | [Soft Gasket]    | t |
            +—+—+——————-+—+—+
            |            Bride inférieure           |
            +———————————–+
                            ^ ^
                    (Lignes pointillées rouges = sections de boulons)

? Spécifications du modèle

• Matériau de la bride (acier au carbone Q345):

• Module de Young : ()
• Coefficient de Poisson :
• Matériau des boulons (acier allié 40Cr):

• Taille: , Classe 8.8
• Module de Young : ()
• Coefficient de Poisson :
• Préchargement : par boulon (environ de couple)
• Matériau du joint (acier doux):
• Interaction : Modélisée à l’aide d’un contact souple (surpression exponentielle) pour suivre les performances du joint.
• Charge de travail:
• Pression interne : sur les parois intérieures et la face de la bride.

Prétraitement dans Abaqus/CAE

Étape 0 : Partitionnement de la tige du boulon

Il est impossible d’appliquer une charge de boulon à un cylindre 3D brut. Un plan de coupe 2D est nécessaire.

1. Ouvrez le Partie module.
2. Cliquez Outils Partition Affronter Utiliser le plan de référence.
3. Placez un plan de référence au milieu de la tige du boulon, parallèle à la face de la bride.
4. Coupez la tige avec ce rabot. Cette face circulaire est votre Section transversale du boulon.

Étape 1 : Configuration de la charge du boulon dans l’interface graphique

1. Ouvrez le Charger module Créer une charge sélectionner Charge de boulon.
2. Pour le Région, choisissez le nouveau face de cloison circulaire à l’intérieur de la tige (ne pas sélectionner le boulon 3D entier).
3. Réglez le Ampleur jusqu’à 50 000 (en supposant que votre système d’unités soit , , ).
4. Abaqus calcule le Diamètre du boulon à partir de la géométrie du visage automatiquement.
5. Procédez ainsi pour les 4 boulons. Utilisez des noms clairs comme BoltLoad-1, BoltLoad-2, BoltLoad-3 et BoltLoad-4.

? Le plan d’analyse en trois étapes

N’essayez pas de tout condenser en deux étapes. L’ajout d’une étape intermédiaire silencieuse rend le modèle beaucoup plus stable et évite les erreurs de contact.

+——————————————————————————-+
|   Étape 1 : Étape de prétension     –>   Étape 2 : Étape de verrouillage (sans charge) –> Étape 3 : Étape de charge de travail |
| Tous les boulons : APPLIQUER (50 kN) Tous les boulons : FIXER …
|   Les brides se compriment.                 Le système se stabilise sous une précharge pure. Pression de 5 MPa appliquée.   |
+——————————————————————————-+

• Étape 1 : Étape de prétension (Prétension)
• Ce qui se produitLes 4 boulons sont tous réglés sur APPLIQUER à . Les brides compriment le joint pour établir le contact initial.
• Étape 2 : Verrouillage et équilibre (Fix_Pretension)
• Ce qui se produitLes 4 boulons passent en position FIXE. N’ajoutez pas d’autres charges pour le moment. Le système se stabilise sous précharge pure. Abaqus calcule la compression initiale du joint et les pressions de contact. Si vous omettez cette étape et appliquez la pression immédiatement, le solveur doit gérer simultanément l’établissement du contact et les fortes charges de travail, ce qui provoque souvent un plantage du calcul.
• Étape 3 : Étape de charge de travail (WorkLoad_InternalPressure)
• Ce qui se produitLes 4 boulons restent en place. Nous appliquons le Pression interne. Cette pression tend à écarter les brides. Comme la longueur des boulons est fixe, la tension réelle dans les boulons variera en fonction de l’allongement des brides.

4. Structure des mots clés INP

Voici la syntaxe INP correcte pour les trois étapes. Notez que nous listons chaque boulon avec op=NEW à chaque étape.

Étape 1 : Appliquer la précharge du boulon

*Étape, nom=Prétension, nlgeom=OUI
*Statique
0,1, 1, 1e-05, 0,1
** Définissez les charges initiales des boulons à l’aide de APPLY
*Charge de boulon, op=NEUF
BoltLoad-1, APPLIQUER, 50000.
BoltLoad-2, APPLIQUER, 50000.
BoltLoad-3, APPLIQUER, 50000.
BoltLoad-4, APPLIQUER, 50000.
*Sortie, champ
*Sortie du nœud
U, RF
*Sortie de l’élément
S, MISES, PEEQ
*Fin de l’étape

Étape 2 : Verrouiller le préchargement (laisser le modèle se stabiliser)

*Étape, nom=Fix_Pretension, nlgeom=OUI
*Statique
0,1, 1, 1e-05, 0,1
** Passez toutes les charges de boulonnage à FIXE.
** op=NEW efface les étapes précédentes et les redéfinit.
*Charge de boulon, op=NEUF
BoltLoad-1, CORRECTION
BoltLoad-2, CORRECTION
BoltLoad-3, CORRECTION
BoltLoad-4, FIX
** Aucune charge externe n’est ajoutée ici pour permettre la stabilisation du contact.
*Fin de l’étape

Étape 3 : Appliquer une pression de 5 MPa

*Étape, nom=Pression_interne_de_la_charge_de_travail, nlgeom=OUI
*Statique
0,1, 1, 1e-05, 0,1
** Tous les boulons doivent rester sur la fixation
*Charge de boulon, op=NEUF
BoltLoad-1, CORRECTION
BoltLoad-2, CORRECTION
BoltLoad-3, CORRECTION
BoltLoad-4, FIX
** Appliquer une pression de 5 MPa sur les surfaces internes et les faces d’extrémité
*Dsload
Surface de la paroi intérieure, P, 5.
Surface d’extrémité de la bride, P, 5.
*Sortie, champ
*Sortie du nœud
U, RF
*Sortie de l’élément
S, MISES, CPRESS
*Fin de l’étape

5. Post-traitement : Lecture des forces de vos boulons

Une fois l’opération terminée avec succès, il faut vérifier le comportement des boulons. Voici les deux meilleures façons de procéder :

Méthode 1 : Sortie historique de la charge des boulons (BFORCEU1)

Pour obtenir une courbe de force nette au fil du temps, demandez la sortie historique dans votre fichier d’entrée :

*Sortie, historique
*Sortie de charge de boulon
BoltLoad-1, BoltLoad-2, BoltLoad-3, BoltLoad-4

• La variable: Recherchez BFORCEU1 (force dans la direction de l’axe du boulon).
• Où le trouver: Allez à Visualisation Données XY Sortie de l’historique ODB et tracer la force sur les trois étapes.

Méthode 2 : Coupe corporelle libre (FBC)

Si vous n’avez pas configuré l’historique de sortie avant l’exécution :

1. Ouvrez votre modèle dans le Visualisation module.
2. Cliquez Outils Coupe de corps libre Créer.
3. Choisissez le plan de séparation de la section transversale de votre boulon.
4. Abaqus calcule la somme des forces agissant sur le plan de coupe et affiche le vecteur force total. C’est un excellent moyen de vérifier vos valeurs BFORCEU1.

6. Comprendre la physique : Les 3 phénomènes d’étanchéité

L’analyse des forces exercées sur les boulons et des pressions des joints au fil des étapes révèle trois comportements physiques clés :

Force et pression
  ^
  |   …[Bolt Force (BFORCEU1)]
  |                        /———/
  |          /———-/  (Verrouillage)    \===[Gasket Contact Pressure (CPRESS)]
  |         / (Appliquer)                 \___
  |        /
  +——-+————–+———+———> Temps/Étape
        Étape 1       Étape 2   Étape 3
      (Prétension)     (Verrouillage) (Pression appliquée)

1. La force du boulon augmente après la pressurisation

Sous une pression de 5 MPa, le fluide tend à écarter les brides. La longueur des boulons étant fixe, cet écartement les étire davantage. Cela provoque la force de travail réelle du boulon à monter au-delà de la précharge initiale de 50 kN.

• ConseilSi la force de votre boulon diminue ici, vérifiez la direction de la pression : vous avez peut-être appliqué une aspiration au lieu d’une pression.

2. La déformation de la bride provoque une pression de contact inégale (CPRESS)

La représentation graphique de la pression de contact à travers le joint révèle une pression élevée près des trous de boulons et une pression faible le long des bords intérieur et extérieur. Ceci s’explique par la légère flexion des brides sous la charge.

• ConseilSi votre pression de contact semble parfaitement uniforme, il est probable que vos brides soient modélisées comme étant trop rigides, ce qui donne des résultats d’étanchéité irréalistes.

3. Vérification des fuites (CPRESS vs. Pression du fluide)

Lors de l’application de la pression à l’étape 3, la pression du joint diminue. Pour éviter les fuites, assurez-vous de :

Où est la pression interne (), et est le coefficient de pression de contact résiduelle (généralement à (selon le fluide et les normes industrielles). Si votre pression de contact minimale descend en dessous de cette limite, le joint fuira.

7. Liste de vérification pour le dépannage : Erreurs courantes

Si votre modèle plante ou affiche des résultats étranges, consultez cette liste rapide :

1. La force du boulon tombe à zéro à l’étape 3

• Qu’est-ce qui s’est mal passé ?Vous avez utilisé op=NEW à l’étape 3, mais vous n’avez pas indiqué vos boulons avec FIX. Le solveur a supposé que les boulons étaient libres.
• Comment le réparer: Assurez-vous que chaque boulon est déclaré sous *Bolt Load, op=NEW avec FIX à l’étape 3.

2. Erreur « La zone de charge des boulons doit être à face unique »

• Qu’est-ce qui s’est mal passé ?Vous avez sélectionné l’ensemble du corps du boulon 3D au lieu du plan de partition 2D.
• Comment le réparer: Divisez la tige et sélectionnez uniquement la face circulaire interne.

3. Incohérences d’unités

• Qu’est-ce qui s’est mal passé ?Vos forces ou contraintes sont erronées de manière considérable (par exemple, en saisissant 50 au lieu de 50000 pour un modèle en mm et N).
• Comment le réparerUtilisez un seul système d’unités. Pour mm-N-MPa :

• Longueur:
• Forcer:
• Stresser:
• Préchargement : 50000 (pour )
• Pression interne : 5 (pour )

4. Erreurs de pénétration ou de convergence instantanées à l’étape 1

• Qu’est-ce qui s’est mal passé ?Vous avez appliqué des précharges avant que le contact ne soit complètement établi.
• Comment le réparerVérifiez vos paramètres de contact. Effectuez un léger ajustement initial ou une étape d’interférence pour stabiliser le système avant l’activation des précharges.

8. FAQ rapide

Q1 : Puis-je appliquer directement le couple dans Abaqus au lieu de la charge du boulon ?

Non, le couple est très sensible au frottement du filetage. La méthode standard consiste à convertir le couple () à la tension () en utilisant:

Où est le couple (), est le diamètre nominal (), et est le coefficient de couple (généralement autour de ). Appliquez la force résultante () en utilisant la fonction de chargement par boulon.

Q2 : Que se passe-t-il si je laisse le boulon réglé sur APPLIQUER pendant l’étape de charge de travail ?

Le boulon exercera une force constante sur l’assemblage, se comportant comme un poids permanent. Sa contrainte restera exactement de 50 kN au lieu de se dilater naturellement avec la déformation des brides. Ceci conduit à une sous-estimation de la contrainte dans le boulon et à une surestimation de la séparation de l’assemblage.

Q3 : Comment gérer les séquences de serrage complexes à plusieurs boulons ?

Divisez l’étape de précontrainte en sous-étapes séquentielles. Par exemple, appliquez des précontraintes aux boulons 1 et 3 à l’étape 1a, bloquez-les à l’étape 1b tout en appliquant des précontraintes aux boulons 2 et 4, puis bloquez-les tous à l’étape 1c. Cela permet de simuler la relaxation élastique réelle.

À propos de l’auteur

Johnny Liu est le PDG de Véhicule Dowway. Avec plus de 15 ans d’expérience dans l’intégration de groupes motopropulseurs automobiles et la conception de châssis, Johnny se concentre sur la dynamique des articulations, la fatigue structurelle et l’optimisation de l’étanchéité haute pression dans des environnements exigeants.