Как смоделировать предварительное натяжение болтов в Abaqus: рабочий процесс APPLY и FIX.

Автор: Джонни Лю, генеральный директор компании Dowway Vehicle.

Опубликовано: 2 июля 2026 г.

Категория: Структурный анализ / Метод конечных элементов (МКЭ) / Автомобильная инженерия

Краткое резюме

• МеханизмAbaqus обрезает стержень болта и стягивает узлы с обеих сторон вместе, чтобы укоротить болт. Он не просто прикладывает растягивающую силу.
• НастройкиИспользуйте *Нагрузка на болт, ПРИМЕНИТЬ, чтобы сначала вытянуть болт. Переключитесь на *Нагрузка на болт, ЗАФИКСИРОВАТЬ, чтобы зафиксировать его длину для всех последующих этапов нагружения.
• Ловушка ядраКаждый новый шаг сбрасывает настройки болтов из-за параметра op=NEW. Необходимо перечислить каждый болт и установить для него значение FIX на каждом последующем шаге, иначе болты потеряют свою натяжку.
• Передовая практикаИспользуйте трехэтапный процесс. Шаг 1: приложите нагрузку, шаг 2: зафиксируйте болт без приложения каких-либо других усилий, чтобы модель стабилизировалась, и шаг 3: добавьте рабочие нагрузки.

Ловушка “сброса предварительной нагрузки” в методе конечных элементов

Когда я только начинал моделировать болтовые соединения и уплотнения высокого давления в компании Dowway Vehicle, я столкнулся с досадной проблемой. Я создавал модель, задавал предварительную нагрузку на болты и запускал расчет. Но как только начинались рабочие нагрузки на следующем этапе, усилия на болтах резко возрастали или падали до нуля.

Я потратил часы на проверку параметров материала, эксперименты с жесткостью контакта и перестроение сетки. Наконец, я нашел проблему: Я забыл зафиксировать смещение болта с помощью команды FIX на последующих этапах.

В этом руководстве рассматривается принцип работы предварительного натяжения болтов в Abaqus, описывается надежный трехэтапный рабочий процесс, анализируются ключевые слова INP и рассматривается реальная схема герметизации фланца, чтобы вы могли избежать подобных проблем.

1. Как Abaqus обрабатывает нагрузки на болты

Распространенная ошибка заключается в том, что считается, будто Abaqus создает предварительную нагрузку на болты, просто прикладывая равные и противоположно направленные силы к концам болтов. На самом деле решатель делает нечто другое.

Abaqus требует от вас определения Поперечное сечение болта (Плоскость сечения) внутри стержня болта. Затем решатель разрезает стержень в этой плоскости и стягивает узлы с обеих сторон вместе. Это укорачивает болт, создавая натяжение.

      [ Bolt Head ]
          |
    +—–+—–+  <- Поперечное сечение болта (сечение)
    |Узел A | 
    |  &nsp; | (Узлы притягиваются друг к другу)
    |        | 
    |    ^      | 
    |    |      | 
    |Узел B | 
    +—–+—–+
          |
      [ Bolt Nut ]

Из-за такой конфигурации вам необходимо указать решателю, что делать с укороченной длиной на последующих этапах. Если вы не измените настройки, Abaqus продолжит пытаться управлять силой напрямую. Это приводит к неестественному поведению болта при деформации конструкции под воздействием внешних нагрузок. Именно поэтому нам необходимо переключиться с APPLY на FIX.

2. Два режима: ПРИМЕНИТЬ и ИСПРАВИТЬ

В Abaqus для управления нагрузкой на болты во время работы используются две основные команды:

Командование	Как это работает	Физическое поведение	Когда его использовать
ПРИМЕНЯТЬ	Силовой контроль	Abaqus затягивает болт до тех пор, пока натяжение не достигнет заданного значения.	Этап предварительного натяжения (Первый шаг, на котором вы затягиваете болты).
ИСПРАВИТЬ	Управление перемещением	В Abaqus укорачивание болта фиксируется на текущем значении. Длина болта остается постоянной.	Последующие шаги (При добавлении рабочих нагрузок, давления или тепла).

Опасность op=NEW

Имейте в виду, что Abaqus использует op=NEW для нагрузок на новых этапах. Каждый раз, когда начинается новый этап, Abaqus сбрасывает все предыдущие настройки нагрузки на затвор..

Если у вас есть группа болтов, то вы необходимо перечислить каждый болт. На каждом новом этапе устанавливайте для них значение FIX. Если вы пропустите хотя бы один болт на этапе приложения давления, этот болт потеряет предварительное натяжение. Он полностью ослабнет, что испортит результаты измерения контактного напряжения и вызовет ошибки сходимости.

3. Пошаговое разборка примера: герметизация фланцевого соединения и прокладки.

Рассмотрим стандартную фланцевую сборку трубы с четырьмя болтами. Сначала затянем болты, а затем создадим внутреннее давление.

                  [ 5 MPa Internal Pressure ]
                            | |
                            вв
            +———————————–+
            Верхний фланец
            +—+—+——————-+—+—+
                |   | [Soft Gasket]| |
                | B | ================ | B |
                | о | | о |
                | л | ================ | л |
                | т |[Soft Gasket]| т |
            +—+—+——————-+—+—+
            Нижний фланец |
            +———————————–+
                            ^ ^
                    (Красные пунктирные линии = секции болтов)

Технические характеристики модели

• Материал фланца (углеродистая сталь Q345):

• Модуль Юнга: ()
• Коэффициент Пуассона:
• Материал болта (легированная сталь 40Cr):

• Размер: Класс 8.8
• Модуль Юнга: ()
• Коэффициент Пуассона:
• Предварительная загрузка: за болт (примерно) крутящего момента)
• Материал прокладки (мягкая сталь):
• Взаимодействие: Моделирование выполнено с использованием метода мягкого контакта (экспоненциальное перекрытие под действием давления) для отслеживания характеристик уплотнения.
• Рабочая нагрузка:
• Внутреннее давление: на внутренних стенках и поверхности фланца.

️ Предварительная обработка в Abaqus/CAE

Шаг 0: Разделение стержня болта

Нельзя приложить болтовую нагрузку к необработанному трехмерному цилиндру. Необходима двухмерная плоскость сечения.

1. Откройте Часть модуль.
2. Нажмите Инструменты Раздел Лицо Используйте опорную плоскость.
3. Проведите опорную плоскость через середину стержня болта параллельно поверхности фланца.
4. Отпилите хвостовик этим рубанком. Эта круглая грань — ваша Поперечное сечение болта.

Шаг 1: Настройка нагрузки на болты в графическом интерфейсе пользователя.

1. Откройте Нагрузка модуль Создать загрузку выбирать Нагрузка на болт.
2. Для Областьвыберите новый круглая перегородка лицевой стороны внутри стержня (не вынимайте весь болт целиком).
3. Установите Величина до 50000 (при условии, что ваша система единиц измерения…) , , ).
4. Abaqus производит вычисления Диаметр болта автоматически на основе геометрии лица.
5. Проделайте это для всех 4 болтов. Используйте понятные названия, например, BoltLoad-1, BoltLoad-2, BoltLoad-3 и BoltLoad-4.

План анализа в три этапа

Не пытайтесь уместить всё в два этапа. Добавление промежуточного, спокойного этапа делает модель гораздо более стабильной и предотвращает ошибки контакта.

+——————————————————————————+
| Шаг 1: Этап предварительного натяжения –> Шаг 2: Этап фиксации (без нагрузки) –> Шаг 3: Этап рабочей нагрузки |
| Все болты: ПРИМЕНИТЬ (50 кН) Все болты: ЗАКРЕПИТЬ Все болты: ЗАКРЕПИТЬ |
|   Фланцы сжимаются.                Система стабилизируется под действием чистого предварительного натяжения.  Приложено давление 5 МПа   |
+——————————————————————————+

• Шаг 1: Этап предварительного натяжения (Предварительное натяжение)
• Что происходитВсе 4 болта установлены в положение “Применить” . Фланцы сжимают прокладку, обеспечивая первоначальный контакт.
• Шаг 2: Этап блокировки и достижения равновесия (фиксация предварительного натяжения)
• Что происходитВсе 4 болта переключаются в положение «ФИКСАЦИЯ».. Пока не добавляйте никаких других нагрузок. Система стабилизируется под действием чистого предварительного натяжения. Abaqus рассчитывает начальное давление сжатия прокладки и контактное давление. Если пропустить этот шаг и сразу приложить давление, решателю придется одновременно обрабатывать процесс установления контакта и высокие рабочие нагрузки, что часто приводит к сбою в работе программы.
• Шаг 3: Этап рабочей нагрузки (WorkLoad_InternalPressure)
• Что происходитВсе 4 болта остаются на месте. Мы применяем… Внутреннее давление. Давление стремится раздвинуть фланцы. Поскольку длина болтов зафиксирована, фактическое натяжение болтов будет меняться в зависимости от того, насколько растянуты фланцы.

4. Структура ключевых слов INP

Вот правильный синтаксис INP для трех шагов. Обратите внимание, как на каждом шаге мы перечисляем все болты с параметром op=NEW.

Шаг 1: Приложите предварительное усилие к болту.

*Step, name=Pretension, nlgeom=YES
*Статический
0.1, 1., 1e-05, 0.1
** Задайте начальные нагрузки на болты с помощью команды APPLY
*Нагрузка на болт, op=НОВИНКА
BoltLoad-1, APPLY, 50000.
BoltLoad-2, ПРИМЕНЕНИЕ, 50000.
BoltLoad-3, ПРИМЕНЕНИЕ, 50000.
BoltLoad-4, ПРИМЕНИТЬ, 50000.
*Вывод, поле
*Вывод узла
У, РФ
*Вывод элемента
S, MISES, PEEQ
*Конец шага

Шаг 2: Зафиксируйте предварительную нагрузку (дайте модели стабилизироваться).

*Шаг, имя=Fix_Pretension, nlgeom=ДА
*Статический
0.1, 1., 1e-05, 0.1
** Переключите все режимы затяжки болтов на фиксированный.
** op=NEW очищает предыдущие шаги и переопределяет их.
*Нагрузка на болт, op=НОВИНКА
BoltLoad-1, FIX
BoltLoad-2, FIX
BoltLoad-3, FIX
BoltLoad-4, FIX
** Здесь не добавляются внешние нагрузки для стабилизации контакта.
*Конец шага

Шаг 3: Приложите давление 5 МПа.

*Шаг, имя=WorkLoad_InternalPressure, nlgeom=YES
*Статический
0.1, 1., 1e-05, 0.1
** Все болты должны оставаться на месте.
*Нагрузка на болт, op=НОВИНКА
BoltLoad-1, FIX
BoltLoad-2, FIX
BoltLoad-3, FIX
BoltLoad-4, FIX
** Приложите давление 5 МПа к внутренним поверхностям и торцевым граням
*Dsload
Внутренняя поверхность стенки, стр., 5.
Торцевая поверхность фланца, P, 5.
*Вывод, поле
*Вывод узла
У, РФ
*Вывод элемента
С., Мизес, пресса
*Конец шага

5. Постобработка: считывание усилий, затраченных на затяжку болтов.

После успешного завершения работы необходимо проверить, как работают болты. Вот два лучших способа это сделать:

Метод 1: Вывод истории нагрузки на болт (BFORCEU1)

Чтобы получить четкую кривую зависимости силы от времени, запросите вывод истории в вашем входном файле:

*Вывод, история
*Выходная нагрузка болта
BoltLoad-1, BoltLoad-2, BoltLoad-3, BoltLoad-4

• Переменная: Искать BFORCEU1 (сила направлена ​​вдоль оси болта).
• Где это найти: Перейти к Визуализация Данные XY Вывод истории ODB и постройте график зависимости силы от времени на всех трех этапах.

Метод 2: Свободная резка тела (FBC)

Если вы не настроили вывод истории перед запуском:

1. Откройте свою модель в Визуализация модуль.
2. Нажмите Инструменты Свободный крой тела Создавать.
3. Выберите плоскость раздела поперечного сечения болта.
4. Abaqus суммирует силы на плоскости сечения и отображает вектор суммарной силы. Это отличный способ перепроверить значения BFORCEU1.

6. Понимание физики: 3 явления герметизации

Анализ усилий, прилагаемых болтами, и давления прокладки на ступенях позволяет выявить три ключевых физических явления:

Сила и давление
  ^
  /—[Bolt Force (BFORCEU1)]
  /———/
  /———-/ (Замок) \===[Gasket Contact Pressure (CPRESS)]
  |   …
  /
  +——-+————–+———+———>Время/Шаг
        Шаг 1 Шаг 2 Шаг 3
      (Предварительное натяжение) (Фиксация) (Приложенное давление)

1. Усилие болта увеличивается после повышения давления.

Под давлением 5 МПа жидкость пытается раздвинуть фланцы. Поскольку длина болта зафиксирована (FIX), это раздвигание еще больше растягивает болты. Это приводит к… фактическое усилие, необходимое для подъема болта после достижения начальной предварительной нагрузки в 50 кН.

• КончикЕсли усилие затяжки болта в этом месте падает, проверьте направление давления — возможно, вы приложили разрежение вместо давления.

2. Деформация фланца вызывает неравномерное контактное давление (CPRESS).

Построение графика контактного давления по всей поверхности прокладки показывает высокое давление вблизи отверстий для болтов и низкое давление вдоль внутренних и внешних кромок. Это происходит потому, что фланцы слегка изгибаются под нагрузкой.

• КончикЕсли контактное давление кажется идеально равномерным, скорее всего, ваши фланцы смоделированы как слишком жесткие, что приводит к нереалистичным результатам герметизации.

3. Проверка на наличие утечек (давление в системе CPRESS против давления жидкости)

При приложении давления на этапе 3 давление в прокладке падает. Для предотвращения утечек убедитесь в следующем:

Где это внутреннее давление (), и является коэффициент остаточного контактного давления (обычно к (в зависимости от используемой жидкости и отраслевых стандартов). Если минимальное контактное давление упадет ниже этого предела, уплотнение будет протекать.

7. Контрольный список для устранения неполадок: распространенные ошибки

Если ваша модель зависает или выдает странные результаты, выполните следующие действия:

1. На третьем этапе усилие затяжки болта падает до нуля.

• Что пошло не так?Вы использовали op=NEW на шаге 3, но не указали болты с параметром FIX. Программа расчета предположила, что болты свободны.
• Как это исправитьУбедитесь, что каждый болт указан в разделе *Нагрузка на болт, op=NEW с FIX на шаге 3.

2. Ошибка “Область приложения нагрузки к болту должна представлять собой единую поверхность”.

• Что пошло не так?Вы выбрали весь трехмерный объект (болт) вместо двухмерной плоскости разделения.
• Как это исправитьРазделите хвостовик и выберите только внутреннюю круглую поверхность.

3. Несоответствия единиц измерения

• Что пошло не так?Ваши значения сил или напряжений сильно отличаются от реальных (например, вы вводите 50 вместо 50000 для модели в мм и Н).
• Как это исправитьПридерживайтесь одной системы единиц измерения. Для мм-Н-МПа:

• Длина:
• Сила:
• Стресс:
• Предварительная загрузка: 50000 (для )
• Внутреннее давление: 5 (для )

4. Мгновенные ошибки проникновения или сходимости на шаге 1

• Что пошло не так?Вы применили предварительную нагрузку до того, как контакт был полностью установлен.
• Как это исправитьПроверьте настройки контактов. Используйте небольшую начальную регулировку или шаг с учетом помех, чтобы стабилизировать ситуацию до того, как начнут действовать предварительные нагрузки.

8. Краткие ответы на часто задаваемые вопросы

В1: Можно ли приложить крутящий момент непосредственно в Abaqus вместо использования функции Bolt Load?

Нет, крутящий момент очень чувствителен к трению резьбы. Стандартный способ — преобразование крутящего момента () к напряжению () с использованием:

Где крутящий момент (), номинальный диаметр (), и — это коэффициент крутящего момента (обычно около Приложите результирующую силу () с использованием функции “Нагрузка на болт”.

В2: Что произойдет, если я оставлю положение болта “ПРИМЕНИТЬ” во время этапа рабочей нагрузки?

Болт будет действовать как постоянный груз, тянущий соединение. Его усилие будет оставаться на уровне ровно 50 кН, вместо того чтобы естественным образом растягиваться по мере деформации фланцев. Это приводит к недооценке напряжения в болте и переоценке степени разъединения соединения.

В3: Как мне обрабатывать сложные последовательности затяжки нескольких болтов?

Разделите этап предварительного натяжения на последовательные подэтапы. Например, на шаге 1a приложите предварительную нагрузку к болтам 1 и 3, на шаге 1b зафиксируйте их, одновременно приложив предварительную нагрузку к болтам 2 и 4, а затем на шаге 1c зафиксируйте все болты. Это имитирует реальную упругую релаксацию.

Об авторе

Джонни Лю является генеральным директором в Транспортное средство для доуэй. Обладая более чем 15-летним опытом в области интеграции силовых агрегатов и проектирования шасси автомобилей, Джонни специализируется на динамике соединений, усталости конструкций и оптимизации герметизации под высоким давлением в сложных условиях эксплуатации.