拉杆螺纹端头弹塑性分析实例

螺纹端头是索结构中重要的连接件，在张弦梁、弦支穹顶以及点式玻璃幕墙等结构中应用很广泛，不仅可以连接节点板与拉索，还可以起到调节拉杆（索）预紧度的作用。设计索结构时，不仅要保证拉杆的强度，连接件的安全更加不容忽视，今天小编就通过一个简单案例和大家分享利用ABAQUS对拉杆螺纹端头进行弹塑性分析的方法。

首先建立几何模型，方法有很多，这里小编想说的是很多同学认为ABAQUS的前处理功能很差，对于稍微复杂的几何模型就直接选择SolidWorks等软件建模，甚至于“SolidWorks建模—HyperMesh划分网格—ABAQUS求解”这样一种工作流程，但小编反而建议前处理尽量都在ABAQUS中完成，其一在于ABAQUS的建模功能并非想象中的那么差，其二直接在ABAQUS中建模好处很多，比如可以避免其他软件导入后产生的无效/不精确几何，修复这些缺陷有时要花费大量时间；再者ABAQUS基于特征的建模逻辑类似于参数化建模，当某些几何尺寸变化时只需修改相应特征的参数，而无需再重新导入；此外利用Python进行参数化建模、批量操作的功能如今也是愈发强大，基本可以满足一般要求。

本例先绘制母线生成旋转锥体，然后使用拉伸切除功能切割开槽、切除两侧多余部分、切割出圆孔、切割生成端头半圆柱面、切割出槽内半圆孔等，最后通过拉伸生成底部拉杆，具体操作不再赘述。

销钉采用解析刚体模拟，解析刚体适用于模拟形状比较简单的刚体，为接触分析提供刚性表面。解析刚体不需要赋予截面属性和划分网格，但必须给定参考点，其质量、约束等都是施加在参考点上的，后处理也只能输出和参考点相关的结果，装配完成如图所示。

接下来给螺纹端头赋予截面属性，采用弹塑性本构，弹性模量取1.84e5MPa，泊松比0.3，对于材料塑性数据，一般试验测得是名义应力和名义应变，要将其转化成真实应力和真实应变输入软件中。

设置分析步，本例设置2个隐式静力分析步，在第一个分析步给螺纹端头一个很小的轴向位移荷载，使其与销钉的接触关系平稳的建立起来，在第二步解除掉该位移，施加真实的力荷载，这样有利于接触分析的收敛。调低初始和最小增量步大小，调高最大增量步数，打开几何非线性。

定义接触，首先定义接触属性，不考虑销钉和圆孔之间的摩擦力，切向设置为无摩擦，法向设置为硬接触，所谓硬接触即两接触面间隙为0时可传递法向压力，否则不传递。在初始分析步中定义接触对，选择“表面—表面接触”，一般选择刚度较大、网格较粗的面为主面，主面的网格可以侵入从面，而从面的网格不能侵入主面。在本例中销钉外表面为刚性表面，故定义为主面，滑移模式选择有限滑移。

定义荷载和边界条件，首先在step-1中给销钉定义完全固定的边界条件，注意解析刚体只能定义在参考点上，同样在step-1中在拉杆端面施加0.1mm的轴向位移，如前所述是为了先确保两个接触面建立起平稳的接触关系；然后在step-2中将该位移解除，同时在拉杆端面施加100N/mm2的均布拉力，施加拉力时注意使用平滑的幅值曲线，以利于收敛。

划分网格，采用四面体网格（C3D4），自由网格技术，接触面位置适当加密网格。

提交计算，查看结果，下图依次是轴拉力为31.4kN（分布拉力为100N/mm2）时的Mises应力结果、轴向位移结果、等效塑性应变（PEEQ）结果。

可以看出，在31.4kN的轴向拉力作用下，螺纹端头与销钉接触面附近的应力水平最高，调整螺帽（中间凹槽部分）受力较小，最大轴向位移-0.15mm，接触面以及周边部分已经出现屈服。根据这些计算结果可以指导我们的设计。

本文介绍了利用ABAQUS对拉杆螺纹端头进行弹塑性分析的一般方法，操作简便，可作为一种辅助设计的常规手段。

对于模拟中不关心的部分如本例的销钉，可将其定义为刚体，定义刚体的方法有很多：解析刚体、离散刚体、显示体约束、弹性模量设为无限大等等，当几何形状比较简单时优先使用解析刚体，其计算效率最高。

对于类似的既考虑材料塑性又包含接触的静力分析，非线性程度较高，为便于收敛，可采取文中方法，先给定一个很小的位移荷载使接触关系平稳的建立起来，再去掉位移施加实际的力荷载。