Autor: Johnny Liu, director ejecutivo de Dowway Vehicle
Publicado: 2 de julio de 2026
Categoría: Análisis estructural / Método de elementos finitos (MEF) / Ingeniería automotriz
Resumen rápido
- El mecanismoAbaqus corta el vástago del perno y junta los nodos de ambos lados para acortarlo. No se limita a aplicar una fuerza de tracción.
- La configuraciónUtilice *Carga de perno, APLICAR para tirar del perno inicialmente. Cambie a *Carga de perno, FIJAR para bloquear su longitud en todos los pasos de carga subsiguientes.
- La trampa centralCada nuevo paso restablece la configuración de los pernos debido a op=NEW. Debe enumerar cada perno y configurarlo como FIJO en cada paso posterior, o los pernos perderán su tensión.
- Mejores prácticasUtilice un procedimiento de tres pasos. El paso 1 aplica la carga, el paso 2 bloquea el perno sin aplicar otras fuerzas para que el modelo se estabilice y el paso 3 añade las cargas de trabajo.
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La trampa del “Reinicio de precarga” en el análisis de elementos finitos (FEA)
Cuando comencé a simular uniones atornilladas y sellos de alta presión en Dowway Vehicle, me topé con un problema frustrante. Configuraba mi modelo, aplicaba las precargas de los pernos y ejecutaba el cálculo. Pero tan pronto como comenzaban las cargas de trabajo en el siguiente paso, las fuerzas de los pernos se descontrolaban o caían a cero.
Pasé horas revisando los parámetros del material, jugando con la rigidez de contacto y remallando. Finalmente, encontré el problema: Olvidé bloquear el desplazamiento del perno con el comando FIX en los pasos siguientes.
Esta guía explica cómo funciona la pretensión de los pernos en Abaqus, describe un flujo de trabajo fiable de tres pasos, desglosa las palabras clave INP y muestra una configuración real de sellado de bridas para que pueda evitar estos problemas.
1. Cómo Abaqus maneja las cargas de los pernos
Un error común es pensar que Abaqus aplica la precarga de los pernos simplemente colocando fuerzas iguales y opuestas en sus extremos. En realidad, el solucionador hace algo diferente.
Abaqus necesita que definas un Sección transversal del perno (un plano de corte) dentro del vástago del perno. El solucionador corta el vástago en este plano y junta los nodos de ambos lados. Esto acorta el perno para generar la tensión.
[ Bolt Head ]
|
++++++ Sección transversal del perno (plano de corte)
| Nodo A |
| | (Los nodos se atraen entre sí)
| v |
| ^ |
| | |
| Nodo B |
+—–+—–+
|
[ Bolt Nut ]
Debido a esta configuración, deberá indicarle al solucionador qué hacer con esta longitud reducida en pasos posteriores. Si no modifica la configuración, Abaqus seguirá intentando controlar la fuerza directamente. Esto provoca que el perno se comporte de forma anómala cuando las cargas externas deforman la estructura. Por eso debemos cambiar de APLICAR a FIJAR.
2. Las dos opciones: APLICAR vs. CORREGIR
Abaqus utiliza dos comandos principales para controlar las cargas de los pernos durante una ejecución:
| Dominio | Cómo funciona | Comportamiento físico | Cuándo usarlo |
| APLICAR | Control de fuerza | Abaqus tensa el perno hasta que la tensión coincida con el valor deseado. | Paso de pretensión (El primer paso, donde se aprietan los tornillos). |
| ARREGLAR | Control de desplazamiento | Abaqus bloquea el acortamiento del perno en su valor actual. La longitud del perno permanece constante. | Pasos siguientes (Al añadir cargas de trabajo, presión o calor). |
El peligro de op=NUEVO
Tenga en cuenta que Abaqus utiliza op=NEW para las cargas en los nuevos pasos. Cada vez que comienza un nuevo paso, Abaqus borra todos los ajustes de carga de cerrojo anteriores..
Si tienes un grupo de pernos, Debe enumerar cada uno de los tornillos. En cada nuevo paso, configúrelos en FIJO. Si omite incluso un solo perno en el paso de presión, ese perno pierde su pretensión. Se afloja por completo, lo que arruina los resultados de la tensión de contacto y provoca errores de convergencia.
3. Estudio de caso paso a paso: Junta de brida y sellado de juntas
Analicemos un conjunto de brida de tubería estándar con 4 pernos. Primero aplicaremos la precarga a los pernos y luego añadiremos presión interna.
[ 5 MPa Internal Pressure ]
| |
vv
+———————————–+
| Brida superior |
+—+—+——————-+—+—+
| | [Soft Gasket] | |
| B | ================ | B |
| o | | o |
| l | ================ | l |
| t | [Soft Gasket] | t |
+—+—+——————-+—+—+
| Brida inferior |
+———————————–+
^ ^
(Líneas discontinuas rojas = Secciones de pernos)
Especificaciones del modelo
- Material de la brida (acero al carbono Q345):
- Módulo de Young:
(
)
- Coeficiente de Poisson:
- Material del perno (acero aleado 40Cr):
- Tamaño:
, Clase 8.8
- Módulo de Young:
(
)
- Coeficiente de Poisson:
- Precarga:
por perno (aproximadamente
del par motor)
- Material de la junta (acero dulce):
- Interacción: Modelada mediante contacto suave (sobrepresión exponencial) para monitorizar el rendimiento del sellado.
- Carga de trabajo:
- Presión interna:
en las paredes interiores y la cara de la brida.
¿Preprocesamiento en Abaqus/CAE?
Paso 0: División del vástago del perno
No se puede aplicar una carga de perno a un cilindro 3D en bruto. Se necesita un plano de corte 2D.
- Abrir el Parte módulo.
- Hacer clic Herramientas
Dividir
Rostro
Utilice el plano de referencia.
- Coloque un plano de referencia a través del centro del vástago del perno, paralelo a la cara de la brida.
- Corte el vástago con este cepillo. Esta cara circular es su Sección transversal del perno.
Paso 1: Configurar la carga del perno en la interfaz gráfica de usuario.
- Abrir el Carga módulo
Crear carga
seleccionar Carga de pernos.
- Para el Región, elige el nuevo cara de partición circular dentro del vástago (no extraiga todo el perno 3D).
- Establecer el Magnitud a 50000 (suponiendo que su sistema de unidades sea
,
,
).
- Abaqus calcula el Diámetro del perno a partir de la geometría de la cara automáticamente.
- Haz esto para los 4 pernos. Usa nombres claros como BoltLoad-1, BoltLoad-2, BoltLoad-3 y BoltLoad-4.
El plan de análisis en tres pasos
No intentes concentrarlo todo en dos pasos. Añadir un paso intermedio silencioso hace que el modelo sea mucho más estable y evita errores de contacto.
+——————————————————————————-+
| Paso 1: Paso de pretensión –> Paso 2: Paso de bloqueo (sin carga) –> Paso 3: Paso de carga de trabajo |
| Todos los pernos: APLICAR (50 kN) Todos los pernos: FIJAR Todos los pernos: FIJAR |
| Las bridas se comprimen. El sistema se asienta bajo una precarga pura Presión aplicada de 5 MPa |
+——————————————————————————-+
- Paso 1: Paso de pretensión (Pretensión)
- Lo que sucede: Los 4 pernos están configurados para APLICAR en
. Las bridas comprimen la junta para establecer el contacto inicial.
- Paso 2: Bloqueo y paso de equilibrio (Fix_Pretension)
- Lo que sucede: Los 4 pernos cambian a FIJO. No añadas ninguna otra carga todavía. El sistema se estabiliza bajo precarga pura. Abaqus calcula la presión inicial de la junta y las presiones de contacto. Si se omite este paso y se aplica presión de inmediato, el solucionador debe gestionar simultáneamente la configuración de contacto y las altas cargas de trabajo, lo que suele provocar que la simulación falle.
- Paso 3: Paso de carga de trabajo (Carga de trabajo_Presión interna)
- Lo que sucede: Todos los 4 pernos permanecen FIJOS. Aplicamos el
Presión interna. La presión tiende a separar las bridas. Dado que la longitud de los pernos está fija, la tensión real en los pernos variará en función del estiramiento de las bridas.
4. Estructura de palabras clave INP
Aquí está la sintaxis INP correcta para los tres pasos. Observe cómo enumeramos cada perno con op=NEW en cada paso.
Paso 1: Aplicar precarga al perno
*Paso, nombre=Pretensión, nlgeom=SÍ
*Estático
0.1, 1., 1e-05, 0.1
** Defina las cargas iniciales de los pernos usando APPLY
*Carga de perno, op=NUEVO
BoltLoad-1, APLICAR, 50000.
BoltLoad-2, APLICAR, 50000.
BoltLoad-3, APLICAR, 50000.
BoltLoad-4, APLICAR, 50000.
*Salida, campo
*Salida del nodo
U, RF
*Salida del elemento
S, MISES, PEEQ
*Paso final
Paso 2: Bloquear la precarga (dejar que el modelo se estabilice)
*Paso, nombre=Fix_Pretension, nlgeom=YES
*Estático
0.1, 1., 1e-05, 0.1
** Cambie todas las cargas de pernos a FIJAS.
** op=NEW borra los pasos anteriores y los redefine.
*Carga de perno, op=NUEVO
BoltLoad-1, CORREGIR
BoltLoad-2, CORREGIR
BoltLoad-3, CORREGIR
BoltLoad-4, CORREGIR
** Aquí no se añaden cargas externas para permitir que el contacto se estabilice.
*Paso final
Paso 3: Aplicar una presión de 5 MPa.
*Paso, nombre=WorkLoad_InternalPressure, nlgeom=SÍ
*Estático
0.1, 1., 1e-05, 0.1
** Todos los pernos deben permanecer en FIX
*Carga de perno, op=NUEVO
BoltLoad-1, CORREGIR
BoltLoad-2, CORREGIR
BoltLoad-3, CORREGIR
BoltLoad-4, CORREGIR
** Aplique una presión de 5 MPa a las superficies internas y a las caras de los extremos.
*Descargar
Superficie de la pared interior, P, 5.
Superficie final de la brida, P, 5.
*Salida, campo
*Salida del nodo
U, RF
*Salida del elemento
S, MISES, CPRESS
*Paso final
5. Procesamiento posterior: Lectura de las fuerzas de los pernos
Una vez que el trabajo se haya realizado correctamente, deberá comprobar el rendimiento de los pernos. Estas son las dos mejores maneras de hacerlo:
Método 1: Salida histórica de la carga del perno (BFORCEU1)
Para obtener una curva de fuerza limpia a lo largo del tiempo, solicite la salida del historial en su archivo de entrada:
*Salida, historial
*Salida de carga de pernos
BoltLoad-1, BoltLoad-2, BoltLoad-3, BoltLoad-4
- La variable: Buscar BFORCEU1 (fuerza en la dirección del eje del perno).
- Dónde encontrarlo: Ir a Visualización
Datos XY
Salida del historial ODB y graficar la fuerza en los tres pasos.
Método 2: Corte de cuerpo libre (FBC)
Si no configuró la salida del historial antes de ejecutar:
- Abra su modelo en el Visualización módulo.
- Hacer clic Herramientas
Corte de cuerpo libre
Crear.
- Seleccione el plano de partición de la sección transversal del perno.
- Abaqus suma las fuerzas en el plano de corte y muestra el vector de fuerza total. Esta es una excelente manera de verificar los valores de BFORCEU1.
6. Entendiendo la física: Los 3 fenómenos de sellado
Al observar las fuerzas que ejercen los pernos y las presiones de las juntas a lo largo de los escalones, se revelan tres comportamientos físicos clave:
Fuerza y presión
^
| /—[Bolt Force (BFORCEU1)]
| /———/
| /———-/ (Bloqueo) \===[Gasket Contact Pressure (CPRESS)]
| / (Aplicar) \___
| /
+——-+————–+———+———> Tiempo/Paso
Paso 1 Paso 2 Paso 3
(Pretensión) (Bloqueo) (Presión aplicada)
1. La fuerza del perno aumenta después de la presurización
Bajo una presión de 5 MPa, el fluido intenta separar las bridas. Dado que la longitud del perno está bloqueada (FIX), esta separación estira aún más los pernos. Esto causa la fuerza de trabajo real del perno para elevarse más allá de la precarga inicial de 50 kN.
- ConsejoSi la fuerza de apriete del perno disminuye en este punto, compruebe la dirección de la presión; es posible que haya aplicado succión en lugar de presión.
2. La deformación de la brida provoca una presión de contacto desigual (CPRESS)
Al representar gráficamente la presión de contacto a través de la junta, se observa una alta presión cerca de los orificios de los pernos y una baja presión a lo largo de los bordes interior y exterior. Esto se debe a que las bridas se doblan ligeramente bajo carga.
- ConsejoSi la presión de contacto parece perfectamente uniforme, es probable que las bridas estén modeladas como demasiado rígidas, lo que produce resultados de sellado poco realistas.
3. Comprobación de fugas (CPRESS frente a presión del fluido)
Cuando se aplica presión en el paso 3, la presión de la junta disminuye. Para evitar fugas, asegúrese de lo siguiente:
Dónde
es la presión interna (
), y
es el coeficiente de presión de contacto residual (generalmente
a
dependiendo del fluido y de los estándares de la industria). Si la presión mínima de contacto cae por debajo de este límite, el sello tendrá fugas.
7. Lista de verificación para la resolución de problemas: Errores comunes
Si su modelo falla o muestra resultados extraños, revise esta breve lista:
- La fuerza del perno se reduce a cero en el paso 3.
- ¿Qué salió mal?: Usaste op=NEW en el paso 3 pero no enumeraste tus pernos con FIX. El solucionador asumió que los pernos estaban libres.
- Cómo solucionarlo: Asegúrese de que cada perno esté declarado en *Bolt Load, op=NEW con FIX en el paso 3.
- Error: “La zona de carga del perno debe ser una sola cara”.
- ¿Qué salió mal?: Seleccionaste todo el cuerpo del perno 3D en lugar del plano de partición 2D.
- Cómo solucionarlo: Divide el vástago y selecciona solo la cara circular interna.
- Desajustes de unidades
- ¿Qué salió mal?: Sus fuerzas o tensiones están muy equivocadas (por ejemplo, introducir 50 en lugar de 50000 para un modelo en mm y N).
- Cómo solucionarlo: Manténgase fiel a un único sistema de unidades. Para mm-N-MPa:
- Longitud:
- Fuerza:
- Estrés:
- Precarga: 50000 (para
)
- Presión interna: 5 (para
)
- Errores de penetración o convergencia instantánea en el paso 1
- ¿Qué salió mal?: Usted aplicó precargas antes de que se estableciera completamente el contacto.
- Cómo solucionarlo: Compruebe la configuración de sus contactos. Utilice un pequeño ajuste inicial o un paso de interferencia para estabilizar la situación antes de que se activen las precargas.
8. Preguntas frecuentes rápidas
P1: ¿Puedo aplicar el par directamente en Abaqus en lugar de la carga del perno?
No, el par es muy sensible a la fricción de la rosca. La forma estándar es convertir el par () a tensión (
) usando:
Dónde
es torque (
),
es diámetro nominal (
), y
es el coeficiente de torsión (generalmente alrededor de
). Aplique la fuerza resultante (
) utilizando la función de carga de pernos.
P2: ¿Qué sucede si mantengo el perno configurado en APLICAR durante la etapa de carga de trabajo?
El perno actuará como una fuerza constante que ejerce presión sobre la junta. Su tensión se mantendrá exactamente en 50 kN en lugar de estirarse naturalmente a medida que las bridas se deforman. Esto conlleva a subestimar la tensión del perno y sobreestimar la separación de la junta.
P3: ¿Cómo puedo gestionar secuencias de apriete complejas con múltiples pernos?
Divide el paso de pretensado en subpasos secuenciales. Por ejemplo, aplica precargas a los pernos 1 y 3 en el paso 1a, bloquéalos en el paso 1b mientras aplicas precargas a los pernos 2 y 4, y luego bloquéalos todos en el paso 1c. Esto reproduce la relajación elástica en condiciones reales.
Acerca del autor
Johnny Liu es el director ejecutivo en Vehículo Dowway. Con más de 15 años de experiencia en la integración de sistemas de propulsión automotriz y diseño de chasis, Johnny se centra en la dinámica de las juntas, la fatiga estructural y la optimización del sellado a alta presión en entornos exigentes.