著者： ダウウェイ・ビークルのCEO、ジョニー・リュー
公開日: 2026年7月2日
カテゴリ： 構造解析／有限要素法（FEM）／自動車工学
概要
- メカニズムAbaqusはボルトの軸を切断し、両側の節点を一緒に引っ張ってボルトを短くします。単に引張力を加えるだけではありません。
- 設定最初にボルトを引っ張るには、「*ボルト荷重、適用」を使用します。その後、以降のすべての荷重ステップでボルトの長さを固定するには、「*ボルト荷重、固定」に切り替えます。
- コアトラップop=NEW のため、新しいステップに進むたびにボルトの設定がリセットされます。以降のステップでは、すべてのボルトをリストアップして FIX に設定する必要があります。そうしないと、ボルトの張力が失われます。
- ベストプラクティス3段階の手順で実行します。ステップ1で荷重を加え、ステップ2でボルトを固定し、他の力を加えずにモデルが安定するまで待ち、ステップ3で実際の荷重を加えます。
Table of Contents
FEAにおける「プリロードリセット」の落とし穴
Dowway Vehicleでボルト締結部や高圧シール部のシミュレーションを始めた当初、私はある厄介な問題に直面しました。モデルを設定し、ボルトの予荷重を適用してジョブを実行するのですが、次のステップで実際の荷重がかかり始めると、ボルトにかかる力が異常に大きくなったり、ゼロになったりするのです。
材料パラメータの確認、接触剛性の調整、メッシュの再作成に何時間も費やしました。そしてついに問題点を見つけました。 次の手順で、FIXコマンドを使ってボルトの変位を固定するのを忘れてしまいました。
このガイドでは、Abaqusにおけるボルトの予張力調整の仕組み、信頼性の高い3ステップのワークフロー、INPキーワードの解説、そして実際のフランジシール設定例を通して、これらの問題を回避できる方法を説明します。
1. Abaqusにおけるボルト荷重の処理方法
よくある間違いは、Abaqusがボルトの両端に等しく反対方向の力を加えるだけでボルトの予荷重を適用すると考えることです。実際には、ソルバーは別の処理を行っています。
Abaqusでは、 ボルトの断面 ボルト軸の内側に切断面を設定します。ソルバーはこの切断面で軸を切断し、両側の節点を互いに引き寄せます。これによりボルトが短くなり、張力が発生します。
[ Bolt Head ]
|
+—–+—–+ <- ボルトの断面（切断面）
| ノード A |
| | (ノードは互いに引き合う)
| v |
| ^ |
| | |
| ノード B |
+—–+—–+
|
[ Bolt Nut ]
この設定のため、後のステップで短縮された長さをどのように扱うかをソルバーに指示する必要があります。設定を変更しないと、Abaqusは力を直接制御しようとし続けます。そのため、外部荷重によって構造物が変形すると、ボルトが不自然な挙動を示します。これが、APPLYからFIXに切り替える必要がある理由です。
2. 2つの設定：適用 vs. 修正
Abaqusでは、実行中にボルト荷重を制御するために主に2つのコマンドを使用します。
| 指示 | 仕組み | 身体的行動 | いつ使うべきか |
| 適用する | 力制御 | Abaqusは、張力が目標値と一致するまでボルトを引っ張ります。 | プレテンションステップ （最初のステップはボルトを締めることです。） |
| 修理 | 変位制御 | Abaqusはボルトの短縮量を現在の値に固定します。ボルトの長さは一定のままです。 | 次のステップ （作業負荷、圧力、または熱が加わる場合） |
op=NEWの危険性
Abaqus では、新しいステップの荷重に op=NEW を使用することに注意してください。新しいステップが開始されるたびに、 Abaqusは以前のボルト荷重設定をすべて消去します。
ボルトのグループがある場合、 すべてのボルトをリストアップする必要がある 各ステップでボルトをFIXに設定してください。圧力ステップでボルトを1本でも省略すると、そのボルトの予張力が失われます。ボルトが完全に緩んでしまい、接触応力の結果が損なわれ、収束エラーが発生します。
3. ステップバイステップのケーススタディ：フランジ継手とガスケットシール
標準的なパイプフランジアセンブリ（ボルト4本）を見てみましょう。まずボルトの予荷重をかけ、次に内部圧力を加えます。
[ 5 MPa Internal Pressure ]
| |
vv
+———————————–+
| 上部フランジ |
+—+—+——————-+—+—+
| | [Soft Gasket] | |
| B | ================= | B |
| o | | o |
| l | ================= | l |
| t | [Soft Gasket] | t |
+—+—+——————-+—+—+
| 下部フランジ |
+———————————–+
^ ^
（赤い破線＝ボルトの断面）
? モデル仕様
- フランジ材質（Q345炭素鋼）:
- ヤング率：
（
）
- ポアソン比：
- ボルト材質（40Cr合金鋼）:
- サイズ：
クラス8.8
- ヤング率：
（
）
- ポアソン比：
- プリロード:
ボルト1本あたり（おおよそ）
トルク）
- ガスケット材質（軟鋼）:
- 相互作用：シール性能を追跡するために、ソフトコンタクト（指数関数的な圧力過剰閉鎖）を使用してモデル化しました。
- 作業負荷:
- 内圧：
内壁とフランジ面に。
？️ Abaqus/CAEにおける前処理
ステップ0：ボルトシャンクの分割
生の3D円筒にボルト荷重をかけることはできません。2Dの切断面が必要です。
- 開く 一部 モジュール。
- クリック ツール
パーティション
顔
基準面を使用する。
- ボルト軸の中央を通る基準面を、フランジ面と平行に配置します。
- この鉋でシャンクを切断します。この円形の面は ボルトの断面。
ステップ1：GUIでボルト荷重を設定する
- 開く 負荷 モジュール
ロードを作成する
選択 ボルト荷重。
- のために 地域新しいものを選んでください 円形パーティション面 シャンクの内側（3Dボルト全体を選ばないでください）。
- 設定する 規模 50000まで（単位系が
、
、
)
- Abaqusは、 ボルト径 面形状から自動的に取得します。
- 4本のボルトすべてに対してこの作業を行います。ボルトには、BoltLoad-1、BoltLoad-2、BoltLoad-3、BoltLoad-4のような分かりやすい名前を付けてください。
3段階分析計画
すべてを2つのステップに詰め込もうとしないでください。静かな中間ステップを追加することで、モデルがはるかに安定し、接触エラーを防ぐことができます。
+——————————————————————————-+
| ステップ 1: 予張力ステップ –> ステップ 2: ロックステップ (無負荷) –> ステップ 3: 動作負荷ステップ |
| すべてのボルト: 適用 (50 kN) すべてのボルト: 固定 すべてのボルト: 固定 すべてのボルト: 固定 |
フランジが圧縮されます。 5 MPa の純粋な予荷重の下でシステムが安定します。 |
+——————————————————————————-+
- ステップ1：プレテンションステップ（プレテンション）
- 何が起こるのですか: 4つのボルトすべてが適用するように設定されています
. フランジがガスケットを挟み込み、初期接触を確立する。
- ステップ2：ロックと平衡ステップ（Fix_Pretension）
- 何が起こるのですか: 4本のボルトすべてがFIXに切り替わります. まだ他の荷物を追加しないでください。 システムは純粋な予荷重下で安定します。Abaqusは初期のガスケットの圧縮と接触圧力を計算します。この手順を省略してすぐに圧力を加えると、ソルバーは接触設定と高い動作荷重を同時に処理する必要があり、多くの場合、実行がクラッシュします。
- ステップ3：作業負荷ステップ（WorkLoad_InternalPressure）
- 何が起こるのですか: 4本のボルトはすべて固定されたままです。
内部圧力。この圧力はフランジを押し広げようとします。ボルトの長さは固定されているため、フランジの伸び具合に応じてボルトの実際の張力が変化します。
4. INPキーワード構造
以下に、3つのステップにおける正しいINP構文を示します。各ステップで、op=NEWのボルトをすべて列挙している点に注意してください。
ステップ1：ボルトの予圧をかける
*ステップ、名前=プリテンション、nlgeom=はい
*静的
0.1、1.、1e-05、0.1
** APPLYを使用して初期ボルト荷重を定義します
*ボルト荷重、op=NEW
BoltLoad-1、適用、50000。
BoltLoad-2、適用、50000。
BoltLoad-3、適用、50000。
BoltLoad-4、適用、50000。
*出力、フィールド
*ノード出力
U、RF
*要素出力
S、MISES、PEEQ
*終了ステップ
ステップ2：プリロードを固定する（モデルが安定するまで待つ）
*ステップ、名前=Fix_Pretension、nlgeom=YES
*静的
0.1、1.、1e-05、0.1
** すべてのボルト負荷をFIXに切り替えます。
** op=NEW は、以前の手順をクリアして再定義します。
*ボルト荷重、op=NEW
ボルトロード-1、固定
BoltLoad-2、FIX
BoltLoad-3、FIX
BoltLoad-4、FIX
** 接触を安定させるために、ここでは外部荷重は加えられていません。
*終了ステップ
ステップ3：5MPaの圧力を加える
*ステップ、名前=WorkLoad_InternalPressure、nlgeom=YES
*静的
0.1、1.、1e-05、0.1
** すべてのボルトは固定されたままにしておく必要があります
*ボルト荷重、op=NEW
ボルトロード-1、固定
BoltLoad-2、FIX
BoltLoad-3、FIX
BoltLoad-4、FIX
** 内面と端面に5 MPaの圧力を加える
*Dsload
内壁面、P、5。
フランジ端面、P、5。
*出力、フィールド
*ノード出力
U、RF
*要素出力
S、ミセス、CPRESS
*終了ステップ
5. 後処理：ボルトの締め付け力の読み取り
作業が正常に完了したら、ボルトの性能を確認する必要があります。確認するのに最適な方法は以下の2つです。
方法1：ボルト荷重の履歴出力（BFORCEU1）
時間の経過に伴う正確な力曲線を取得するには、入力ファイルで履歴出力を要求してください。
*出力、履歴
ボルト荷重出力
BoltLoad-1、BoltLoad-2、BoltLoad-3、BoltLoad-4
- 変数： 探す BFORCEU1 （ボルト軸方向の力）
- どこで見つけられるか: 行く 視覚化
XYデータ
ODB履歴出力 そして、3つのステップすべてにおける力をグラフ化する。
方法2：フリーボディカット（FBC）
実行前に履歴出力を設定していない場合：
- モデルを開く 視覚化 モジュール。
- クリック ツール
無料ボディカット
作成する。
- ボルトの断面となる仕切り面を選択してください。
- Abaqusは切断面上の力を合計し、総力ベクトルを表示します。これはBFORCEU1の値を再確認するのに最適な方法です。
6. 物理学の理解：3つのシーリング現象
ボルトにかかる力とガスケットの圧力を各ステップで調べると、次の3つの重要な物理的挙動が明らかになります。
力と圧力
^
| /—[Bolt Force (BFORCEU1)]
| /———/
| /———-/ (ロック) \===[Gasket Contact Pressure (CPRESS)]
| / (適用) \___
| /
+——-+————–+———+———> 時間/ステップ
ステップ1 ステップ2 ステップ3
（予圧） （ロック） （加圧）
1. 加圧後にボルト力が上昇
5 MPaの圧力下では、流体はフランジを押し広げようとします。ボルトの長さは固定されているため（FIX）、この分離によってボルトがさらに伸びます。これにより、 ボルトが上昇する実際の作動力 初期の50kNの予荷重を超えた場合。
- ヒントボルトの締め付け力がここで低下する場合は、圧力の方向を確認してください。圧力をかける代わりに吸引力を加えてしまった可能性があります。
2. フランジの歪みにより接触圧力（CPRESS）が不均一になる
ガスケットの接触圧力分布をグラフ化すると、ボルト穴付近で高圧、内側と外側の縁に沿って低圧となることがわかります。これは、フランジが荷重によってわずかに曲がるためです。
- ヒント接触圧力が完全に均一に見える場合、フランジのモデル化が硬すぎる可能性があり、その結果、非現実的なシール結果が得られます。
3．漏れの確認（圧力と流体圧力の比較）
ステップ3で圧力を加えると、ガスケット内の圧力が低下します。漏れを防ぐために、以下の点を確認してください。
どこ
内部圧力（
）、 そして
は 残留接触圧力係数 （いつもの
に
（流体の種類や業界標準によって異なります）。最小接触圧力がこの限界を下回ると、シールから漏れが発生します。
7. トラブルシューティングチェックリスト：よくある間違い
モデルがクラッシュしたり、異常な結果が表示されたりする場合は、以下の簡単なリストを確認してください。
- ステップ3でボルトの力がゼロになる
- 何が問題だったのかステップ3でop=NEWを使用しましたが、FIXでボルトをリストアップしていません。そのため、ソルバーはボルトがフリーであると想定しました。
- 修正方法: ステップ 3 で、すべてのボルトが *Bolt Load、op=NEW with FIX の下に宣言されていることを確認してください。
- 「ボルト荷重領域は単一面である必要があります」エラー
- 何が問題だったのか2Dの仕切り面ではなく、3Dのボルト本体全体を選択してしまいました。
- 修正方法シャンクを分割し、内側の円形面のみを選択します。
- 単位の不一致
- 何が問題だったのか: 力や応力の値が大幅に間違っています（例：mmとNのモデルに対して50ではなく50000と入力しているなど）。
- 修正方法単位系は1つに統一してください。mm-N-MPaの場合：
- 長さ：
- 力：
- ストレス：
- プリロード: 50000 (
）
- 内部圧力: 5 (
）
- ステップ1における瞬間的な貫通誤差または収束誤差
- 何が問題だったのか接触が完全に確立される前に、予荷重をかけてしまいました。
- 修正方法接点設定を確認してください。プリロードがかかる前に、小さな初期調整または干渉ステップを使用して、設定を安定させてください。
8. よくある質問（FAQ）
Q1：Abaqusでボルト荷重の代わりにトルクを直接適用することはできますか？
いいえ、トルクはねじの摩擦に非常に敏感です。標準的な方法はトルクを変換することです（）緊張（
使用方法:
どこ
トルク（
)
公称直径（
）、 そして
はトルク係数（通常は約
) 結果として生じる力を加える (
ボルトロード機能を使用します。
Q2：作業負荷ステップ中にボルトをAPPLYに設定したままにしておくとどうなりますか？
ボルトは、接合部を引っ張る一定の重りのように作用します。フランジが変形しても自然に伸びることなく、常に50kNの力で固定されます。このため、ボルトの応力を過小評価し、接合部の分離を過大評価することになります。
Q3：複雑な複数ボルトの締め付け手順はどのように処理すればよいですか？
予張力を加える手順を、連続したサブステップに分割してください。例えば、ステップ1aでボルト1と3に予荷重をかけ、ステップ1bでボルト2と4に予荷重をかけながらボルト1と3を固定し、ステップ1cですべてのボルトを固定します。これにより、実際の弾性緩和を再現できます。
著者について
ジョニー・リュー CEOは ダウウェイ車両. 自動車のパワートレイン統合とシャシー設計において15年以上の経験を持つジョニーは、過酷な環境下におけるジョイントのダイナミクス、構造疲労、高圧シール最適化に重点を置いています。