Como modelar a pré-tensão de parafusos no Abaqus: o fluxo de trabalho APPLY e FIX

Autor: Johnny Liu, CEO da Dowway Vehicle

Publicado: 2 de julho de 2026

Categoria: Análise Estrutural / Método dos Elementos Finitos (MEF) / Engenharia Automotiva

Resumo rápido

• O MecanismoO Abaqus corta a haste do parafuso e puxa os nós de ambos os lados para encurtá-lo. Ele não aplica simplesmente uma força de tração.
• As configuraçõesUse *Carga do Parafuso, APLICAR para puxar o parafuso inicialmente. Alterne para *Carga do Parafuso, FIXAR para travar seu comprimento em todas as etapas de carga subsequentes.
• A Armadilha CentralCada nova etapa redefine as configurações dos parafusos devido ao parâmetro op=NEW. Você deve listar cada parafuso individualmente e defini-los como FIX em cada etapa subsequente, caso contrário, seus parafusos perderão a tensão.
• Melhores práticasUtilize um processo de três etapas. Na Etapa 1, aplica-se a carga; na Etapa 2, o parafuso é travado sem outras forças, permitindo que o modelo se estabilize; e na Etapa 3, são adicionadas as cargas de trabalho.

A armadilha de “reinicialização de pré-carga” na análise de elementos finitos (FEA).

Quando comecei a simular juntas aparafusadas e vedações de alta pressão na Dowway Vehicle, deparei-me com um problema frustrante. Eu configurava meu modelo, aplicava as pré-cargas dos parafusos e executava a simulação. Mas, assim que as cargas de trabalho começavam na etapa seguinte, as forças nos parafusos ficavam descontroladas ou caíam a zero.

Passei horas verificando parâmetros de materiais, testando a rigidez de contato e refazendo a malha. Finalmente, encontrei o problema: Esqueci de bloquear o deslocamento do parafuso com o comando FIX nas etapas subsequentes.

Este guia aborda o funcionamento da pré-tensão de parafusos no Abaqus, descreve um fluxo de trabalho confiável em três etapas, explica as palavras-chave do INP e apresenta uma configuração real de vedação de flange para que você possa evitar esses problemas.

1. Como o Abaqus lida com cargas de parafusos

Um erro comum é pensar que o Abaqus aplica a pré-carga do parafuso simplesmente aplicando forças iguais e opostas nas extremidades do parafuso. Na verdade, o solucionador faz algo diferente.

O Abaqus precisa que você defina um Seção transversal do parafuso (um plano de corte) dentro da haste do parafuso. O solucionador então corta a haste nesse plano e puxa os nós de ambos os lados, aproximando-os. Isso encurta o parafuso para gerar a tensão.

      [ Bolt Head ]
          |
    +—–+—–+  <- Seção transversal do parafuso (plano de corte)
    |  Nó A   | 
    |    | (Os nós se atraem mutuamente)
    |    v      | 
    |    ^      | 
    |    |    | 
    |  Nó B   | 
    +—–+—–+
          |
      [ Bolt Nut ]

Devido a essa configuração, você precisa informar ao solucionador o que fazer com esse comprimento reduzido nas etapas posteriores. Se você não alterar as configurações, o Abaqus continuará tentando controlar a força diretamente. Isso faz com que o parafuso se comporte de maneira não natural quando cargas externas deformam a estrutura. É por isso que devemos mudar de APLICAR para FIXAR.

2. As duas configurações: APLICAR vs. CORRIGIR

O Abaqus utiliza dois comandos principais para controlar a carga dos parafusos durante uma execução:

Comando	Como funciona	Comportamento físico	Quando usar
APLICAR	Controle de força	O Abaqus puxa o parafuso até que a tensão corresponda ao valor desejado.	Etapa de pré-tensão (O primeiro passo é apertar os parafusos).
CONSERTAR	Controle de deslocamento	O Abaqus bloqueia o encurtamento do parafuso em seu valor atual. O comprimento do parafuso permanece constante.	Etapas subsequentes (Ao adicionar cargas de trabalho, pressão ou calor).

O perigo do op=NOVO

Lembre-se de que o Abaqus usa op=NEW para cargas em novas etapas. Toda vez que uma nova etapa começa, O Abaqus apaga todas as configurações anteriores de carga do parafuso..

Se você tiver um grupo de parafusos, você É preciso listar cada parafuso. Em cada nova etapa, defina-os como FIXOS. Se você omitir um único parafuso na etapa de pressão, esse parafuso perderá a pré-tensão. Ele ficará completamente solto, o que prejudica os resultados da tensão de contato e causa erros de convergência.

3. Estudo de Caso Passo a Passo: Vedação de Juntas de Flange e Juntas de Vedação

Vamos analisar um conjunto de flange de tubo padrão com 4 parafusos. Primeiro, aplicaremos a pré-carga nos parafusos e, em seguida, adicionaremos a pressão interna.

                  [ 5 MPa Internal Pressure ]
                            | |
                            vv
            +———————————–+
            |            Flange Superior           |
            +—+—+——————-+—+—+
                |   | [Soft Gasket]    |   |
                | B | ================ | B |
                | o |                 | o |
                | l |  ================ | l |
                | t | [Soft Gasket]    | t |
            +—+—+——————-+—+—+
            |            Flange Inferior           |
            +———————————–+
                            ^ ^
                    (Linhas tracejadas vermelhas = Seções de parafusos)

Especificações do modelo

• Material do flange (aço carbono Q345):

• Módulo de Young: ()
• Coeficiente de Poisson:
• Material do parafuso (aço liga 40Cr):

• Tamanho: , Classe 8.8
• Módulo de Young: ()
• Coeficiente de Poisson:
• Pré-carregar: por parafuso (aproximadamente) de torque)
• Material da junta (aço macio e flexível):
• Interação: Modelada usando contato suave (sobrepressão exponencial) para monitorar o desempenho da vedação.
• Carga de trabalho:
• Pressão interna: nas paredes internas e na face da flange.

Pré-processamento no Abaqus/CAE

Etapa 0: Particionamento da haste do parafuso

Não é possível aplicar uma carga de parafuso a um cilindro 3D bruto. É necessário um plano de corte 2D.

1. Abra o Papel módulo.
2. Clique Ferramentas Partição Face Usar plano de referência.
3. Trace um plano de referência no meio da haste do parafuso, paralelo à face do flange.
4. Corte a haste com esta plaina. Esta face circular é o seu Seção transversal do parafuso.

Passo 1: Configurando a carga do parafuso na interface gráfica do usuário

1. Abra o Carregar módulo Criar Carga selecionar Carga do parafuso.
2. Para o Região, escolha o novo face divisória circular dentro da haste (não selecione o parafuso 3D inteiro).
3. Defina o Magnitude até 50.000 (assumindo que seu sistema de unidades seja , , ).
4. O Abaqus calcula o Diâmetro do parafuso a partir da geometria facial automaticamente.
5. Faça isso para todos os 4 parafusos. Use nomes claros como BoltLoad-1, BoltLoad-2, BoltLoad-3 e BoltLoad-4.

O Plano de Análise em Três Etapas

Não tente condensar tudo em apenas duas etapas. Adicionar uma etapa intermediária silenciosa torna o modelo muito mais estável e evita erros de contato.

+——————————————————————————-+
|   Etapa 1: Etapa de pré-tensão     –>   Etapa 2: Etapa de travamento (sem carga) –> Etapa 3: Etapa de carga de trabalho |
| Todos os parafusos: APLICAR (50 kN) | Todos os parafusos: FIXAR | Todos os parafusos: FIXAR |
|   Flanges comprimem.                O sistema se estabiliza sob pré-carga pura  pressão aplicada de 5 MPa   |
+——————————————————————————-+

• Etapa 1: Etapa de pré-tensão (Pré-tensão)
• O que aconteceTodos os 4 parafusos estão configurados para APLICAR em . Os flanges comprimem a junta para estabelecer o contato inicial.
• Etapa 2: Travamento e Equilíbrio (Fix_Pretension)
• O que aconteceTodos os 4 parafusos mudam para FIXO. Não adicione mais nenhuma carga por enquanto. O sistema se estabiliza sob pré-carga pura. O Abaqus calcula a pressão inicial da junta e as pressões de contato. Se você pular esta etapa e aplicar pressão imediatamente, o solucionador terá que lidar com a configuração do contato e altas cargas de trabalho simultaneamente, o que frequentemente causa a falha da simulação.
• Etapa 3: Etapa de Carga de Trabalho (WorkLoad_InternalPressure)
• O que aconteceTodos os 4 parafusos permanecem no lugar. Aplicamos o pressão interna. A pressão tenta separar os flanges. Como o comprimento dos parafusos está fixo, a tensão real nos parafusos mudará de acordo com o quanto os flanges se esticam.

4. Estrutura de palavras-chave INP

Aqui está a sintaxe INP correta para as três etapas. Observe como listamos cada parafuso com op=NEW em cada etapa.

Passo 1: Aplicar pré-carga no parafuso

*Etapa, nome=Pré-tensão, nlgeom=SIM
*Estático
0,1, 1., 1e-05, 0,1
** Defina as cargas iniciais dos parafusos usando APLICAR
*Carga do parafuso, op=NOVO
BoltLoad-1, APLICAR, 50000.
BoltLoad-2, APLICAR, 50000.
BoltLoad-3, APLICAR, 50000.
BoltLoad-4, APLICAR, 50000.
*Saída, campo
*Saída do nó
U, RF
*Saída do elemento
S, MISES, PEEQ
*Etapa final

Passo 2: Bloquear a pré-carga (permitindo que o modelo se estabilize)

*Etapa, nome=Fix_Pretension, nlgeom=SIM
*Estático
0,1, 1., 1e-05, 0,1
** Altere todas as cargas dos parafusos para FIXO.
** op=NEW limpa as etapas anteriores e as redefine.
*Carga do parafuso, op=NOVO
BoltLoad-1, FIX
BoltLoad-2, FIX
BoltLoad-3, FIX
BoltLoad-4, FIX
** Nenhuma carga externa é adicionada aqui para permitir que o contato se estabilize.
*Etapa final

Etapa 3: Aplique a pressão de 5 MPa.

*Etapa, nome=WorkLoad_InternalPressure, nlgeom=SIM
*Estático
0,1, 1., 1e-05, 0,1
** Todos os parafusos devem permanecer no FIX
*Carga do parafuso, op=NOVO
BoltLoad-1, FIX
BoltLoad-2, FIX
BoltLoad-3, FIX
BoltLoad-4, FIX
**Aplique uma pressão de 5 MPa nas superfícies internas e nas faces terminais.
*Dsload
Superfície da parede interna, P, 5.
Superfície da extremidade da flange, P, 5.
*Saída, campo
*Saída do nó
U, RF
*Saída do elemento
S, MISES, CPRESS
*Etapa final

5. Pós-processamento: Lendo as forças do seu parafuso

Após a conclusão bem-sucedida do trabalho, você precisa verificar o desempenho dos parafusos. Aqui estão as duas melhores maneiras de fazer isso:

Método 1: Saída do histórico de carga do parafuso (BFORCEU1)

Para obter uma curva de força precisa ao longo do tempo, solicite o histórico de saída no seu arquivo de entrada:

*Saída, histórico
*Saída de carga do parafuso
Carga de Parafuso-1, Carga de Parafuso-2, Carga de Parafuso-3, Carga de Parafuso-4

• A variável: Procurar BFORCEU1 (força na direção do eixo do parafuso).
• Onde encontrar: Vá para Visualização Dados XY Saída do histórico do ODB e trace o gráfico da força ao longo das três etapas.

Método 2: Corte Corporal Livre (FBC)

Se você não configurou a saída do histórico antes de executar:

1. Abra seu modelo no Visualização módulo.
2. Clique Ferramentas Corte corporal livre Criar.
3. Selecione o plano de partição da seção transversal do parafuso.
4. O Abaqus soma as forças no plano de corte e exibe o vetor de força total. Esta é uma ótima maneira de verificar seus valores de BFORCEU1.

6. Compreendendo a Física: Os 3 Fenômenos de Vedação

Ao analisar as forças nos parafusos e as pressões nas juntas ao longo dos degraus, revelam-se três comportamentos físicos principais:

Força e Pressão
  ^
  |                               /—[Bolt Force (BFORCEU1)]
  |                    /———/
  |          /———-/  (Bloqueio)    \===[Gasket Contact Pressure (CPRESS)]
  |         / (Aplicar)                 \___
  |        /
  +——-+————–+———+———> Tempo/Passo
        Etapa 1         Etapa 2     Etapa 3
      (Pré-tensão)     (Travamento) (Pressão aplicada)

1. A força do parafuso aumenta após a pressurização

Sob pressão de 5 MPa, o fluido tenta empurrar os flanges para longe um do outro. Como o comprimento do parafuso está travado (FIX), essa separação estica ainda mais os parafusos. Isso causa a força de trabalho real do parafuso para subir ultrapassando a pré-carga inicial de 50 kN.

• DicaSe a força de aperto do parafuso diminuir neste ponto, verifique a direção da pressão — você pode ter aplicado sucção em vez de pressão.

2. A deformação do flange causa pressão de contato desigual (CPRESS)

Ao traçar o gráfico da pressão de contato ao longo da junta, observa-se alta pressão perto dos furos dos parafusos e baixa pressão nas bordas interna e externa. Isso ocorre porque os flanges se curvam ligeiramente sob carga.

• DicaSe a pressão de contato parecer perfeitamente uniforme, é provável que os flanges estejam modelados como muito rígidos, o que resulta em vedações imprecisas.

3. Verificação de vazamentos (CPRESS vs. Pressão do fluido)

Ao aplicar pressão na Etapa 3, a pressão na junta diminui. Para evitar vazamentos, certifique-se de:

Onde é a pressão interna (), e é o coeficiente de pressão de contato residual (geralmente para (dependendo do fluido e das normas da indústria). Se a pressão mínima de contato cair abaixo desse limite, a vedação vazará.

7. Lista de verificação para resolução de problemas: erros comuns

Se o seu modelo estiver apresentando falhas ou resultados estranhos, verifique esta lista rápida:

1. A força do parafuso cai para zero na etapa 3.

• O que deu errado?Você usou op=NEW na Etapa 3, mas não listou seus parafusos com FIX. O solucionador assumiu que os parafusos estavam livres.
• Como resolver issoCertifique-se de que todos os parafusos estejam declarados em *Carga do Parafuso, op=NOVO com FIXO na Etapa 3.

2. Erro: “A região de carga do parafuso deve ser uma única face”

• O que deu errado?Você selecionou todo o corpo do parafuso em 3D em vez do plano de partição em 2D.
• Como resolver issoDivida a haste e selecione apenas a face circular interna.

3. Incompatibilidades de unidades

• O que deu errado?Suas forças ou tensões estão erradas por valores muito discrepantes (por exemplo, você digitou 50 em vez de 50000 para um modelo em mm e N).
• Como resolver issoUtilize apenas um sistema de unidades. Para mm-N-MPa:

• Comprimento:
• Vigor:
• Estresse:
• Pré-carga: 50000 (para )
• Pressão interna: 5 (para )

4. Erros de penetração instantânea ou convergência na etapa 1

• O que deu errado?Você aplicou pré-cargas antes que o contato estivesse totalmente estabelecido.
• Como resolver issoVerifique as configurações de contato. Use um pequeno ajuste inicial ou uma etapa de interferência para estabilizar o sistema antes que as pré-cargas entrem em ação.

8. Perguntas Frequentes Rápidas

P1: Posso aplicar torque diretamente no Abaqus em vez de usar a função Carga de Parafuso?

Não, o torque é altamente sensível ao atrito da rosca. O método padrão é converter o torque () à tensão () usando:

Onde é torque (), é diâmetro nominal (), e é o coeficiente de torque (geralmente em torno de Aplique a força resultante () usando o recurso de Carga de Parafuso.

P2: O que acontece se eu mantiver o parafuso na posição APLICAR durante a etapa de carga de trabalho?

O parafuso atuará como um peso constante, exercendo força sobre a junta. Ele permanecerá exatamente em 50 kN, em vez de se alongar naturalmente conforme os flanges se deformam. Isso leva à subestimação da tensão no parafuso e à superestimação da separação da junta.

P3: Como lidar com sequências complexas de aperto de parafusos?

Divida a etapa de pré-tensão em subetapas sequenciais. Por exemplo, aplique pré-cargas aos parafusos 1 e 3 na Etapa 1a, trave-os na Etapa 1b enquanto aplica pré-cargas aos parafusos 2 e 4 e, em seguida, trave todos eles na Etapa 1c. Isso simula o relaxamento elástico em condições reais.

Sobre o autor

Johnny Liu é o CEO da Veículo Dowway. Com mais de 15 anos de experiência em integração de sistemas de propulsão automotiva e projeto de chassis, Johnny se concentra na dinâmica de juntas, fadiga estrutural e otimização de vedação de alta pressão em ambientes exigentes.