Modellierung der Schraubenvorspannung in Abaqus: Der APPLY- und FIX-Workflow

Autor: Johnny Liu, CEO bei Dowway Vehicle

Veröffentlicht: 2. Juli 2026

Kategorie: Strukturanalyse / Finite-Elemente-Methode (FEM) / Automobiltechnik

Kurzzusammenfassung

• Der MechanismusAbaqus kürzt den Bolzenschaft und zieht die Knotenpunkte auf beiden Seiten zusammen, um den Bolzen zu verkürzen. Es wird nicht einfach eine Zugkraft angewendet.
• Die EinstellungenVerwenden Sie *Bolt Load, APPLY, um den Bolzen zunächst zu ziehen. Wechseln Sie zu *Bolt Load, FIX, um seine Länge für alle nachfolgenden Ladeschritte zu fixieren.
• Die KernfalleJeder neue Schritt setzt Ihre Schraubeneinstellungen aufgrund von op=NEW zurück. Sie müssen jede einzelne Schraube auflisten und in jedem nachfolgenden Schritt auf FIX setzen, sonst verlieren Ihre Schrauben ihre Spannung.
• Bewährte Vorgehensweise: Verwenden Sie einen dreistufigen Testlauf. Schritt 1 bringt die Last auf, Schritt 2 fixiert den Bolzen ohne weitere Kräfte, damit sich das Modell setzen kann, und Schritt 3 fügt Ihre Arbeitslasten hinzu.

Die „Vorlast-Reset“-Falle in der FEA

Als ich bei Dowway Vehicle mit der Simulation von Schraubverbindungen und Hochdruckdichtungen begann, stieß ich auf ein frustrierendes Problem. Ich richtete mein Modell ein, legte die Schraubenvorspannungen fest und startete die Simulation. Sobald jedoch im nächsten Schritt die Arbeitslasten einsetzten, schwankten die Schraubenkräfte extrem oder fielen auf null.

Ich habe stundenlang Materialparameter überprüft, mit der Kontaktsteifigkeit experimentiert und das Netz neu erstellt. Schließlich habe ich das Problem gefunden: Ich habe in den nachfolgenden Schritten vergessen, die Bolzenverschiebung mit dem Befehl FIX zu fixieren.

Dieser Leitfaden erklärt, wie die Schraubenvorspannung in Abaqus funktioniert, skizziert einen zuverlässigen dreistufigen Arbeitsablauf, erläutert die INP-Schlüsselwörter und führt Sie durch eine reale Flanschdichtungskonfiguration, damit Sie diese Probleme vermeiden können.

1. Wie Abaqus Bolzenlasten verarbeitet

Ein häufiger Fehler ist die Annahme, Abaqus wende die Schraubenvorspannung an, indem es einfach gleich große, entgegengesetzte Kräfte auf die Schraubenenden ausübt. Der Solver geht jedoch anders vor.

Abaqus benötigt Ihre Definition eines Bolzenquerschnitt (Eine Schnittebene) innerhalb des Bolzenschafts. Der Solver schneidet den Schaft dann an dieser Ebene und zieht die Knoten auf beiden Seiten zusammen. Dadurch wird der Bolzen verkürzt und die Spannung erzeugt.

      [ Bolt Head ]
          |
    +—–+—–+  <- Bolzenquerschnitt (Schnittebene)
    |  Knoten A   | 
    |    | (Die Knoten ziehen sich gegenseitig an)
    |    v      | 
    |    ^      | 
    |    |      | 
    |  Knoten B   | 
    +—–+—–+
          |
      [ Bolt Nut ]

Aufgrund dieser Konfiguration müssen Sie dem Solver in späteren Schritten mitteilen, wie mit der verkürzten Länge umzugehen ist. Wenn Sie die Einstellungen nicht ändern, versucht Abaqus weiterhin, die Kraft direkt zu steuern. Dadurch verhält sich die Schraube unnatürlich, wenn äußere Lasten die Struktur verformen. Deshalb müssen wir von ANWENDEN auf FIXIEREN umschalten.

2. Die zwei Einstellungen: ANWENDEN vs. REPARIEREN

Abaqus verwendet zwei Hauptbefehle, um die Bolzenlasten während eines Laufs zu steuern:

Befehl	So funktioniert es	Körperliches Verhalten	Wann man es verwendet
ANWENDEN	Kraftregelung	Abaqus zieht den Bolzen so lange, bis die Spannung dem Zielwert entspricht.	Vorspannungsschritt (Der erste Schritt, bei dem Sie die Schrauben festziehen).
FIX	Wegsteuerung	Abaqus fixiert die Bolzenverkürzung auf ihrem aktuellen Wert. Die Bolzenlänge bleibt konstant.	Weitere Schritte (Bei Hinzufügung von Arbeitslasten, Druck oder Wärme).

Die Gefahr von op=NEW

Beachten Sie, dass Abaqus für Ladevorgänge in neuen Schritten op=NEW verwendet. Jedes Mal, wenn ein neuer Schritt beginnt, Abaqus löscht alle vorherigen Bolzenlasteinstellungen.Die

Wenn Sie eine Gruppe von Schrauben haben, Jede einzelne Schraube muss aufgelistet werden. Stellen Sie die Schrauben in jedem neuen Schritt auf „Fixieren“. Wenn Sie auch nur eine Schraube in Ihrem Druckschritt auslassen, verliert diese ihre Vorspannung. Sie wird völlig locker, was Ihre Kontaktspannungsergebnisse verfälscht und Konvergenzfehler verursacht.

3. Schritt-für-Schritt-Fallstudie: Flanschverbindung & Dichtung

Betrachten wir eine Standard-Rohrflanschverbindung mit 4 Schrauben. Wir werden zuerst die Schraubenvorspannung anbringen und anschließend den Innendruck erhöhen.

                  [ 5 MPa Internal Pressure ]
                            | |
                            vv
            +———————————–+
            |            Oberer Flansch           |
            +—+—+——————-+—+—+
                |   | [Soft Gasket]    |   |
                | B | ================ | B |
                | o |                   | o |
                | l |  ================= | l |
                | t | [Soft Gasket]    | t |
            +—+—+——————-+—+—+
            |            Unterer Flansch           |
            +———————————–+
                            ^ ^
                    (Rote gestrichelte Linien = Bolzenabschnitte)

Modellspezifikationen

• Flanschmaterial (Q345 Kohlenstoffstahl):

• Elastizitätsmodul: ()
• Poissonzahl:
• Bolzenmaterial (40Cr legierter Stahl):

• Größe: Klasse 8.8
• Elastizitätsmodul: ()
• Poissonzahl:
• Vorladen: pro Schraube (ungefähr Drehmoment)
• Dichtungsmaterial (Weichstahl):
• Interaktion: Modelliert mittels Soft Contact (exponentieller Drucküberverschluss) zur Verfolgung der Dichtungsleistung.
• Arbeitslast:
• Innendruck: an den Innenwänden und der Flanschfläche.

?️ Vorverarbeitung in Abaqus/CAE

Schritt 0: Unterteilen des Bolzenschafts

Auf einen rohen 3D-Zylinder kann keine Bolzenlast angewendet werden. Sie benötigen eine 2D-Schnittebene.

1. Öffne die Teil Modul.
2. Klicken Werkzeuge Partition Gesicht Bezugsebene verwendenDie
3. Legen Sie eine Bezugsebene durch die Mitte des Bolzenschafts, parallel zur Flanschfläche.
4. Schneiden Sie den Schaft mit diesem Hobel ab. Diese kreisförmige Fläche ist Ihre BolzenquerschnittDie

Schritt 1: Einrichten der Bolzenlast in der Benutzeroberfläche

1. Öffne die Laden Modul Last erstellen wählen BolzenlastDie
2. Für die Region, wähle das neue kreisförmige Trennwand im Schaft (nicht den gesamten 3D-Bolzen aufnehmen).
3. Stellen Sie die Größe bis 50000 (vorausgesetzt, Ihr Einheitensystem ist , , ).
4. Abaqus berechnet die Bolzendurchmesser automatisch aus der Flächengeometrie.
5. Führen Sie diese Schritte für alle 4 Schrauben durch. Verwenden Sie aussagekräftige Namen wie BoltLoad-1, BoltLoad-2, BoltLoad-3 und BoltLoad-4.

Der dreistufige Analyseplan

Versuchen Sie nicht, alles in zwei Schritte zu pressen. Ein ruhiger Zwischenschritt macht das Modell deutlich stabiler und verhindert Kontaktfehler.

+——————————————————————————-+
|   Schritt 1: Vorspannung     –>   Schritt 2: Verriegelung (ohne Last) –> Schritt 3: Arbeitslast |
| Alle Schrauben: ANZUZIEHEN (50 kN) | Alle Schrauben: BEFESTIGEN | Alle Schrauben: BEFESTIGEN | Alle Schrauben: BEFESTIGEN | Alle Schrauben: BEFESTIGEN |
|   Flansche werden komprimiert.                System beruhigt sich unter reiner Vorspannung  5 MPa Druck angelegt   |
+——————————————————————————-+

• Schritt 1: Vorspannung (Vorspannung)
• Was geschiehtAlle 4 Schrauben sind auf ANWENDEN eingestellt. . Die Flansche drücken die Dichtung zusammen, um den ersten Kontakt herzustellen.
• Schritt 2: Sperren & Gleichgewichtseinstellung (Fix_Pretension)
• Was geschiehtAlle 4 Schrauben auf FIX stellen.. Fügen Sie noch keine weiteren Lasten hinzu. Das System stabilisiert sich unter reiner Vorspannung. Abaqus berechnet den anfänglichen Dichtungsdruck und die Kontaktdrücke. Wird dieser Schritt übersprungen und sofort Druck angelegt, muss der Solver gleichzeitig die Kontaktierung und hohe Arbeitslasten bewältigen, was häufig zum Absturz des Simulationslaufs führt.
• Schritt 3: Arbeitslastschritt (WorkLoad_InternalPressure)
• Was geschiehtAlle 4 Schrauben bleiben an der Fixierung. Wir bringen die Innendruck. Dieser Druck versucht, die Flansche auseinanderzudrücken. Da die Schraubenlängen fixiert sind, ändert sich die tatsächliche Schraubenspannung je nach Dehnung der Flansche.

4. INP-Schlüsselwortstruktur

Hier ist die korrekte INP-Syntax für die drei Schritte. Beachten Sie, wie wir in jedem Schritt jede Schraube mit op=NEW auflisten.

Schritt 1: Schraubenvorspannung anbringen

*Schritt, Name=Pretension, nlgeom=JA
*Statisch
0,1, 1, 1e-05, 0,1
** Definieren Sie die anfänglichen Bolzenlasten mit APPLY
*Schraubenlast, op=NEU
BoltLoad-1, APPLY, 50000.
BoltLoad-2, APPLY, 50000.
BoltLoad-3, APPLY, 50000.
BoltLoad-4, APPLY, 50000.
*Ausgabe, Feld
*Knotenausgabe
U, RF
*Elementausgabe
S, MISES, PEEQ
*Endschritt

Schritt 2: Vorspannung fixieren (Modell sich setzen lassen)

*Schritt, Name=Fix_Pretension, nlgeom=YES
*Statisch
0,1, 1, 1e-05, 0,1
** Alle Bolzenlasten auf FIX umstellen.
** op=NEW löscht die vorherigen Schritte und definiert sie neu.
*Schraubenlast, op=NEU
BoltLoad-1, FIX
BoltLoad-2, FIX
BoltLoad-3, FIX
BoltLoad-4, FIX
** Hier werden keine externen Lasten hinzugefügt, damit sich der Kontakt stabilisiert.
*Endschritt

Schritt 3: Den Druck von 5 MPa anlegen.

*Schritt, Name=WorkLoad_InternalPressure, nlgeom=YES
*Statisch
0,1, 1, 1e-05, 0,1
** Alle Schrauben müssen an der Befestigung verbleiben.
*Schraubenlast, op=NEU
BoltLoad-1, FIX
BoltLoad-2, FIX
BoltLoad-3, FIX
BoltLoad-4, FIX
** Üben Sie einen Druck von 5 MPa auf die Innenflächen und Stirnflächen aus.
*Dsload
Innenwand-Oberfläche, P, 5.
Flanschendfläche, P, 5.
*Ausgabe, Feld
*Knotenausgabe
U, RF
*Elementausgabe
S, MISES, CPRESS
*Endschritt

5. Nachbearbeitung: Ablesen der Schraubenkräfte

Sobald der Auftrag erfolgreich abgeschlossen ist, sollten Sie die Funktion der Schrauben überprüfen. Hier sind die zwei besten Methoden dafür:

Methode 1: Historische Ausgabe der Bolzenlast (BFORCEU1)

Um eine saubere Kraftkurve über die Zeit zu erhalten, fordern Sie die Verlaufsausgabe in Ihrer Eingabedatei an:

*Ausgabe, Verlauf
*Bolzenlastausgang
Bolzenlast-1, Bolzenlast-2, Bolzenlast-3, Bolzenlast-4

• Die Variable: Suchen Sie nach BFORCEU1 (Kraft in Richtung der Bolzenachse).
• Wo man es finden kannGehe zu Visualisierung XY-Daten ODB-Verlaufsausgabe und die Kraft über alle drei Schritte grafisch darstellen.

Methode 2: Freikörperschnitt (FBC)

Falls Sie vor dem Ausführen keine Verlaufsausgabe eingerichtet haben:

1. Öffnen Sie Ihr Modell im Visualisierung Modul.
2. Klicken Werkzeuge Freikörperschnitt ErstellenDie
3. Wählen Sie die Trennebene für den Bolzenquerschnitt.
4. Abaqus summiert die Kräfte auf der Schnittebene und zeigt den Gesamtkraftvektor an. Dies ist eine hervorragende Möglichkeit, Ihre BFORCEU1-Werte zu überprüfen.

6. Die Physik verstehen: Die 3 Dichtungsphänomene

Die Betrachtung der Schraubenkräfte und Dichtungsdrücke entlang der Stufen offenbart drei wichtige physikalische Phänomene:

Kraft und Druck
  ^
  |                                   /—[Bolt Force (BFORCEU1)]
  |                      /———/
  |          /———-/  (Sperren)    \===[Gasket Contact Pressure (CPRESS)]
  |         / (Anwenden)                 \___
  |        /
  +——-+————–+———+———> Zeit/Schritt
        Schritt 1; Schritt 2; Schritt 3
      (Vorspannung)     (Verriegelung) (Druck ausgeübt)

1. Die Schraubenkraft steigt nach der Druckbeaufschlagung

Bei einem Druck von 5 MPa versucht das Fluid, die Flansche auseinanderzudrücken. Da die Schraubenlänge fixiert ist (FIX), werden die Schrauben durch diese Trennung weiter gedehnt. Dies führt dazu, dass die tatsächliche Arbeitskraft des Bolzens zum Anheben über die anfängliche Vorspannung von 50 kN hinaus.

• TippFalls die Bolzenkraft hier abfällt, überprüfen Sie die Druckrichtung – möglicherweise haben Sie Saugwirkung anstelle von Druck erzeugt.

2. Flanschverformung verursacht ungleichmäßigen Kontaktdruck (CPRESS)

Die grafische Darstellung des Anpressdrucks über die Dichtung zeigt einen hohen Druck in der Nähe der Schraubenlöcher und einen niedrigen Druck entlang der inneren und äußeren Kanten. Dies geschieht, weil sich die Flansche unter Last leicht verbiegen.

• TippWenn der Kontaktdruck vollkommen gleichmäßig aussieht, sind Ihre Flansche wahrscheinlich zu starr modelliert, was zu unrealistischen Dichtungsergebnissen führt.

3. Überprüfung auf Lecks (Druckmessung vs. Flüssigkeitsdruck)

Beim Anlegen von Druck in Schritt 3 sinkt der Dichtungsdruck. Um Leckagen zu vermeiden, ist Folgendes zu beachten:

Wo ist der Innendruck (), Und ist die Restkontaktdruckkoeffizient (normalerweise Zu (abhängig von der Flüssigkeit und den Branchenstandards). Wenn der minimale Kontaktdruck unter diesen Grenzwert fällt, wird die Dichtung undicht.

7. Checkliste zur Fehlerbehebung: Häufige Fehler

Falls Ihr Modell abstürzt oder ungewöhnliche Ergebnisse liefert, gehen Sie diese kurze Checkliste durch:

1. Die Bolzenkraft sinkt in Schritt 3 auf Null.

• Was ist schiefgelaufen?Sie haben in Schritt 3 op=NEW verwendet, aber Ihre Schrauben nicht mit FIX aufgelistet. Der Solver ging davon aus, dass die Schrauben frei waren.
• Wie man es behebt: Stellen Sie sicher, dass jede Schraube unter *Bolt Load, op=NEW mit FIX in Schritt 3 deklariert ist.

2. Fehler: „Der Bolzenbelastungsbereich muss einseitig sein.“

• Was ist schiefgelaufen?Sie haben den gesamten 3D-Schraubenkörper anstelle der 2D-Trennebene ausgewählt.
• Wie man es behebt: Teilen Sie den Schaft und wählen Sie nur die innere kreisförmige Fläche aus.

3. Einheitenabweichungen

• Was ist schiefgelaufen?: Ihre Kräfte oder Spannungen sind um massive Beträge falsch (z. B. geben Sie 50 statt 50000 für ein Modell in mm und N ein).
• Wie man es behebt: Verwenden Sie ein einheitliches Einheitensystem. Für mm-N-MPa:

• Länge:
• Gewalt:
• Stress:
• Vorladung: 50000 (für )
• Innendruck: 5 (für )

4. Sofortige Penetrations- oder Konvergenzfehler in Schritt 1

• Was ist schiefgelaufen?Sie haben Vorlasten angelegt, bevor der Kontakt vollständig hergestellt war.
• Wie man es behebtÜberprüfen Sie Ihre Kontakteinstellungen. Verwenden Sie eine kleine anfängliche Justierung oder einen Störimpuls, um die Einstellungen zu stabilisieren, bevor die Vorspannungen einsetzen.

8. Kurze FAQ

Frage 1: Kann ich in Abaqus direkt ein Drehmoment anwenden, anstatt die Schraubenlast zu verwenden?

Nein, das Drehmoment reagiert sehr empfindlich auf die Gewindereibung. Die übliche Methode besteht darin, das Drehmoment umzurechnen () zur Spannung () mit:

Wo ist Drehmoment (), ist der Nenndurchmesser (), Und ist der Drehmomentkoeffizient (üblicherweise etwa Wenden Sie die resultierende Kraft an () unter Verwendung der Bolzenlastfunktion.

Frage 2: Was passiert, wenn ich die Schraube während des Arbeitslastschritts auf ANWENDEN stelle?

Die Schraube wirkt wie ein konstantes Gewicht, das an der Verbindung zieht. Sie behält exakt 50 kN bei, anstatt sich mit der Verformung der Flansche natürlich zu dehnen. Dies führt zu einer Unterschätzung der Schraubenspannung und einer Überschätzung der Verbindungstrennung.

Frage 3: Wie gehe ich mit komplexen Anziehsequenzen mit mehreren Schrauben um?

Unterteilen Sie den Vorspannungsschritt in aufeinanderfolgende Teilschritte. Bringen Sie beispielsweise in Schritt 1a Vorspannungen an Schraube 1 und 3 an, fixieren Sie diese in Schritt 1b, während Sie gleichzeitig Vorspannungen an Schraube 2 und 4 anbringen, und fixieren Sie schließlich alle Schrauben in Schritt 1c. Dadurch wird die elastische Entspannung in der Praxis simuliert.

Über den Autor

Johnny Liu ist der CEO bei Unterführungsfahrzeug. Mit über 15 Jahren Erfahrung in der Integration von Antriebssträngen und der Entwicklung von Fahrwerken im Automobilbereich konzentriert sich Johnny auf die Gelenkdynamik, die strukturelle Ermüdung und die Optimierung von Hochdruckdichtungen in anspruchsvollen Umgebungen.