观点

浅析强度螺栓的CAE建模及失效仿真

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。







结语

要实现强度螺栓精确的CAE失效仿真和模拟,还有不少的难题要解决,例如为了解决零件装配问题而开始普遍使用的浮动螺母,以及有着特定功能的异形螺栓和螺母。 

浏览过本文章的用户还浏览过
  • 一条短信可以拯救世界

    北极星项目通过短信与贩卖人口行为作斗争,而他们只是众多利用短信功能的非营利组织中的一个 在Marissa十八岁生日那天,她被一队便衣警察从皮条客手上解救了出来,实际上,是一条短信救了她。 Marissa向北极星项目(Polaris Project)发送了一条短信,北极星 [详细]

  • 国之重器沦为能见度极低的产业,中国仿真软件三十年坎坷路

    智能制造吸引了所有通向数字殿堂的好奇,而在大堂之内,计算机仿真CAE是最为重要的基石。所有关于数字制造的设想,都在以隐蔽的姿势,指向这个基石。高端装备制造更是如此。美国仿真软件NASTRAN作为CAE软件的代表,已经成为飞机设计仿真分析的标准软件。如果 [详细]

  • 数据可视化明星Tableau Software【研报】

    产品简介 总部设在西雅图的Tableau公司,是一家专门为企业提供商务智能解决方案的初创企业。商务智能解决方案提供商的竞争随着大数据概念的兴起也愈发的激烈,从甲骨文、IMB、微软到各种开源CRM和数学建模软件等,而Tableau另辟蹊径,以其卓越的数据库可视化 [详细]

  • 爱图购,不只是导购,更是品牌导购

    爱图购 给自己的定位是女性时尚品推荐网站,衣服、鞋子、包包、配饰喜欢逛街的女生们可以在爱图购找到自己喜欢的品牌商品,然后可跳转至天猫等相应的电商页面进行购买。是的,这是一门并不新鲜的导购生意,早已被美丽说、蘑菇街以及无数后继者反复咀嚼。但是 [详细]