浅析强度螺栓的CAE建模及失效仿真

2018-03-27 10:14:38· 来源：上汽安全与CAE技术

小小螺钉代表的是精细化的设计要求，而螺栓作为汽车装配过程中重要的连接零件，对车辆安全性能起着同样至关重要的作用，这就需要对强度螺栓进行详细的CAE建模及失效仿真分析。

强度螺栓CAE建模及失效仿真意义

航空史上最惨重空难的原因只是小小铆钉！

1985年8月12日下午18时56分，日航123在东京羽田机场起飞约半小时后坠毁，死亡520人，幸存4人，成为航空史上单一架次飞机死伤最惨重的空难，事故的直接原因竟是维修工人少打了几个螺钉。

小小螺钉代表的是精细化的设计要求，而螺栓作为汽车装配过程中重要的连接零件，对车辆安全性能起着同样至关重要的作用，这就需要对强度螺栓进行详细的CAE建模及失效仿真分析。

基于DYNA的强度螺栓CAE建模方法
简化的建模方法1

若只是用于评估螺栓孔周边钣金的强度，螺栓和螺母可以简化为RB2刚性单元，RB2连接的直径和法兰盘直径保持一致，如图1所示，这种简化方法的缺点是不能用于预测螺栓强度及螺栓拉脱的问题，所以使用该方法的前提是确保螺栓和钣金始终保持紧密配合！

图1 螺栓的简化建模方法

评估螺栓强度的建模方法2

若需要评估螺栓强度，螺栓侧和螺母侧按照建模1中的方法分别简化为一个RB2刚性单元，中间通过Beam单元连接,截面尺寸和螺栓一致，如图2所示，通过输出beam的拉剪力综合判断螺栓强度是否满足要求，这种建模方法的缺点同样是不能用于预测螺栓拉脱问题。

图2 评估螺栓强度的建模方法

详细的螺栓建模方法3

上述两种建模方法基本可以覆盖大部分与螺栓相关的强度问题，但是若要综合评估钣金强度、螺栓强度及螺栓扩孔拉脱问题，就需要考虑螺栓预紧力、螺栓螺母和钣金之间相对运动的影响，这个时候就要求对螺栓建模进一步细化，如图3所示，螺栓和螺母采用实体单元建模，并赋予相应的材料，螺栓和螺母的连接通过RB2单元与Spotbeam组合模拟，并施加预紧力。

图3 螺栓的详细建模方法

上图中的螺栓柱也可以简化为一个spotbeam单元，为了提升spotbeam与螺栓孔接触的稳定性，一般会用到beam单元，如图4所示：

图4 螺栓柱简化为spotbeam的建模方法

如何选择合适的强度螺栓建模方法

建模方法1和2分析精度相对较低，但建模工作简便，效率高，是目前最常用的方法。
建模方法3分析精度高，主要针对的是螺栓扩口拉脱问题，但建模工作相对较复杂。
应根据具体的问题以及工程师的经验来选择合适的螺栓建模方法。

强度螺栓的判断准则

通过上述螺栓建模方法2或3, 提取出螺栓受到的拉伸及剪切峰值载荷，然后基于力的螺栓强度评判准则：

来判断螺栓在同时受到拉剪载荷时的强度是否满足要求，其中SN为螺栓的保证拉伸载荷，Ss为保证剪切载荷，图5是一些常用螺栓等级的承载力数据，供大家参考。

图5 常用螺栓等级的承载力

强度螺栓的失效仿真

在Spotbeam的材料卡片MAT_SPOTWELD中，选择有定义失效功能的DAMAGE FAILURE关键字，在试验数据有限的情况下，可通过设置螺栓的保证拉伸载荷及保证剪切载荷来模拟螺栓的失效过程。

螺栓拉脱失效的仿真案例

以下是某车型强度性能试验中，座椅与车身安装点螺栓拉脱的案例，通过采用详细的螺栓建模方法来模拟螺栓拉脱的整个过程，为下一步的优化找明方向。