考虑实际装配过程的螺栓应力场变化的有限元建模方法

摘要

本发明公开了考虑装配载荷下螺栓应力场变化的有限元建模方法，其步骤如下，建立螺栓、螺母、被连接件三维模型；对模型进行网格划分；设置模型中各零件的材料属性；对螺栓、螺母、被连接件施加约束；对模型中各零件进行接触设置；设置3个载荷步，分别为拧紧阶段、松弛阶段、拧松阶段；获取装配载荷作用下螺栓预紧力、螺栓正应力、螺栓切应力随拧紧过程的变化。本发明提供的有限元仿真方法较为精确地计算了装配载荷作用下螺栓应力场的变化。

说明书

技术领域

本发明属于紧固装配技术领域，具体涉及一种考虑实际装配过程的螺栓切应力变化的有限元建模方法。

背景技术

螺栓作为主要的紧固件在机械工业中具有的重要地位，螺栓联接结构简单、连接可靠、可拆卸、方便维护，广泛应用于各种重大机械装备的关键联接部位，尤其是工程机械领域。服役阶段的螺栓由于疲劳性能不足，经常发生断裂，大大缩短了螺栓的使用寿命和更换周期。螺栓疲劳性能与螺栓应力场的变化息息相关，故研究实际装配过程中螺栓应力场的演变规律具有重要的工程意义。

目前针对螺栓应力场变化的有限元仿真方法，未能模拟螺栓真实装配过程，使得通过建立有限元仿真方法得出的螺栓应力场演变情况与螺栓应力场真实演变状况相差甚远，从而在工程上没有使用参考价值。且目前所用螺栓应力场变化的有限元仿真方法仅适用一种螺栓连接结构或一种工况，故一种可适用于不同工况的考虑实际装配过程中螺栓应力场变化的有限元建模方法具有很重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种考虑实际装配过程的螺栓应力场变化的多参数有限元建模方法。本发明通过建立根据不同实际工况进行调整的包含螺栓几何尺寸、螺栓螺纹摩擦、螺栓端面摩擦、中径间隙、螺栓与被连接件材料特性、装配载荷等多种参数的参数化有限元仿真模型，可根据不同的螺栓装配工况进行参数选择，以实现对螺栓各种实际装配过程的模拟，以保证对螺栓应力场计算结果的准确性。

本发明的技术方案：

考虑装配载荷下螺栓应力场变化的有限元建模方法，包括如下步骤：

步骤1，对各零件包括螺栓、螺母、被连接件进行三维建模，建立带有螺纹升角的螺栓连接模型，并将螺栓、螺母、被连接件的几何尺寸设置为参数化变量；

步骤2，对步骤1模型中各零件采用六面体网格与五面体网格结合的方式进行网格划分，以在保证计算精度的前提下，提高计算效率；

步骤3，将螺栓、螺母、被连接件材料的种类、弹性模量和泊松比，设置为参数化变量，以适应不同种类的螺栓的有限元仿真模型；

步骤4，将螺栓端面设置为固定端；

步骤5，设定螺母与被连接件接触面为摩擦接触，设定螺栓螺母螺纹啮合面为摩擦接触，并将摩擦系数设置为参数化变量，以根据不同类型的接触表面进行调整；

步骤6，将载荷步设为三个载荷步：拧紧阶段，以转角法对螺母施加正向拧紧载荷；松弛阶段，保持螺母转角不变；回拧阶段，以转角法对螺母施加反向载荷；

步骤7，输出所述模型装配过程中的螺栓正应力，输出所述模型装配过程中的螺栓切应力，输出所述模型装配过程中螺栓预紧力。

所述步骤1中，螺栓、螺母、被连接件几何尺寸的参数化变量设置，可实现对不同类型螺栓连接结构螺栓应力场分布情况的研究，简化了有限元建模步骤，使所述模型更通用化。

所述步骤2中，所述模型的网格划分方式，提高了计算结果的准确性，提高了有限元仿真模型的计算效率。

所述模型中各零件采用六面体网格与五面体网格结合的方式进行网格划分，螺栓、被连接件以及螺母无相互接触的圆柱体部分采用六面体单元网格划分方式，螺栓头与被连接件接触表面、螺栓螺纹与螺母螺纹啮合表面采用五面体单元。

所述步骤3和所述步骤5中，通过对所述模型材料属性和接触关系的参数化设置，使得所述模型更加贴近真实螺栓装配过程，使得计算结果更加准确，具有更好的工程利用价值。

所述步骤6中，三个螺栓加载过程对应螺栓装配过程的三个阶段，使得有限元仿真中的螺栓装配过程与螺栓实际装配过程更接近，计算结果更加准确。

本发明提供的一种考虑实际装配过程的螺栓应力场变化的有限元建模方法，以多参数化变量设置，实现对于不同螺栓结构、不同工况下螺栓应力场变化的研究，以三阶段更贴合现实装配过程的载荷加载方式，保证了计算结果的准确性。本发明可以实现针对不同螺栓结构、不同装配过程，简便快速地获取螺栓装配过程中的螺栓正应力、螺栓切应力和螺栓预紧力。

基于上述理由，本发明可在不同工况下螺栓连接结构的应力分析方法中广泛推广。

附图说明

图1为本发明的具体实施方式中有限元仿真模型示意图；

图2为本发明的具体实施方式中考虑实际装配过程的螺栓正应力变化曲线图及其与实际装配过程中的螺栓正应力的对比；

图3为本发明的具体实施方式中考虑实际装配过程的螺栓切应力变化曲线图及其与实际装配过程中的螺栓切应力的对比；

图4为本发明的具体实施方式中考虑实际装配过程的螺栓预紧力变化曲线图及其与实际装配过程中的螺栓预紧力的对比。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清除，下面将结合本发明实施例中的附图。对本发明实施例中的方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种考虑实际装配过程的螺栓应力场变化的有限元建模方法，包括以下步骤：

步骤1，在ANSYS Workbench中的Geometry-DesignModeler中对各零件包括螺栓、螺母、被连接件进行三维建模，建立带有螺纹升角的螺栓连接模型，所建立的三维模型的具体几何尺寸为：螺栓螺杆外径为9.8mm，螺杆大径为10mm，外螺纹中径9.2mm，外螺纹螺距1.5mm，外螺纹牙型角60°，外螺纹牙厚1.5mm；螺母等效外径16mm，螺栓孔孔径10.7mm，内螺纹中径9.4mm，内螺纹螺距1.5mm，内螺纹牙型角60°，内螺牙厚1.5mm；被连接件厚度为25mm，被连接件外径40mm

步骤2，对所述模型中各零件采用六面体网格(solid 186 3-D 20-Node)与五面体网格(solid 186 3-D 15-Node)结合的方式进行网格划分(Mesh)，螺栓、被连接件以及螺母无相互接触的圆柱体部分采用六面体单元(solid 186 3-D 20-Node)网格划分方式，螺栓头与被连接件接触表面、螺栓螺纹与螺母螺纹啮合表面采用五面体单元(solid 186 3-D15-Node)，以在保证计算精度的前提下，提高计算效率；

步骤3，定义所述模型中各零件的材料属性(Materials)，螺栓与螺母的材料均选用结构钢，杨氏模量200GPa，泊松比0.3，屈服强度950MPa；被连接件材料选用45钢，杨氏模量200GPa，泊松比0.3，屈服强度450MPa；

步骤4，定义所述模型的边界条件，将螺栓端面设置为固定端；

步骤5，定义所述模型各零部件之间的接触关系，定义螺母与被连接件接触面为摩擦接触，定义螺栓螺母螺纹啮合面为摩擦接触，并将摩擦系数设置为端面摩擦系数0.15和螺纹摩擦系数0.15；

步骤6，采用更接近实际的转角法对螺栓进行加载，并将设置载荷步为三个载荷步：拧紧阶段，以转角法对螺母施加正向拧紧转角55°；松弛阶段，保持螺母转角不变；回拧阶段，对螺母施加反向回拧转角10°；

步骤7，利用Solution中Normal Stress输出所述模型装配过程中的螺栓正应力，利用Shear Stress输出所述模型装配过程中的螺栓切应力，利用Force Reaction输出所述模型装配过程中螺栓预紧力。