CN102542118B - 设计及优化实际装配体的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用几何模型力学性能分析方法设计及优化实际装配体的方法及装置，该方法包括为：确定待分析几何模型中联接件和被联接件的应力锥理论面；根据联接件和被联接件的螺纹联接装配结合面和所述应力锥理论面，确定螺纹实际结合面的区域；针对所述螺纹实际结合面的区域，建立有限元模型；对所述有限元模型进行静态分析得到该有限元模型的力学性能状态信息，根据所述有限元模型的力学性能状态信息设计及优化实际装配体，其中，在分析过程中的分析对象不包括螺纹联接的螺纹组件特征。因此，作为待分析模型中的非主要研究对象，用于螺纹联接的螺纹组件被删除或忽略，不仅不能影响分析结果，而且可以大大提高计算分析速度。
Description
技术领域
本发明涉及有限元模型力学分析领域，特别是一种几何模型力学性能分析方法及装置。
背景技术
有限元是60年代初期随着电子计算机的发展而发展起来的一门新的数值计算方法。它在数值分析方法研究领城内具有重大突破性的进展。它的数学逻辑严谨、物理概念清晰、易于理解和掌握、应用范围广泛，能够灵活地处理和求解各种复杂问题，特别是它采用矩阵形式表达基本公式，便于运用计算机编程运算，这些优点赋予了有限单元法强大的生命力。
有限元首先应用于航空工程．由于其方法的有效性，迅速被推广应用于造船、机械、动力、建筑和核子等工业部门。并从固体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学和振动学等领域。
随着有限元法的广泛应用，各个领域有限元模型的构建也广泛展开，各种机构与组件的构建方法不一致。螺纹联接在机械行业各领域的结构中使用频率非常高，在有限元模型中，对螺纹联接结合面的处理方法的研究也很多；通常是按照实际尺寸做出螺栓的模型，用连续介质单元进行网络划分，虽然可以得到较准确的有限元模型与较精确的应力、应变分布，但是具有自由度多，建模时间长，计算时间过多的缺点，模型复杂程度大大增加，甚至会导致算例无法求解。
按照实际尺寸做出螺栓的模型做分析时一般采用温度载荷法、预应力单元法、等效载荷法。
温度载荷法是一种广泛使用的预应力模拟方法。它的基本思想是：把预紧载荷换算成对应的温度梯度载荷，加载在螺栓单元上。若采用实体单元模拟螺栓，温度载荷可加载在螺帽和螺母之间的螺栓光杆部分。螺栓在热载荷作用下产生收缩变形，使得螺帽和法兰、螺母和法兰以及法兰和法兰之间发生接触挤压，这与实际螺栓的预紧行为相类似，因此可以通过温度载荷与预紧力等效的方法获得希望的初应力状态。
预应力单元法在螺杆中添加预应力单元，通过预应力单元来模拟螺杆的预应力效果，达到模拟螺纹紧固的作用。参见图1所示，A为螺纹联接的结合面。
等效外载法是一种较为直观的螺栓预紧力模拟方法。它的基本思想是：将预紧力转化为对应的外载荷直接施加在螺栓不同部分上。建模时主要有两种方法。一种是在螺栓端部上施加拉力，在螺母上施加大小相等、方向相反的压力。另一种方法是将螺栓切为两部分，分别在两个切面上施加大小相等、方向相反的拉力载荷。载荷的大小等同于螺栓上的预紧力。
现有的方法具有模型复杂，自由度多，建模时间长，计算时间过长的缺点。过多的使用传统方法处理螺纹联接结合面，不但会增加模型的复杂性，甚至会导致算例无法求解。
发明内容
本发明提供一种几何模型力学性能分析方法及装置，用以提高性能分析速度。
本发明提供的一种几何模型力学性能分析方法，包括：
确定待分析几何模型中联接件和被联接件的应力锥理论面；
根据联接件和被联接件的螺纹联接装配结合面和所述应力锥理论面，确定螺纹实际结合面的区域；
针对所述螺纹实际结合面的区域，建立有限元模型；
对所述有限元模型进行静态分析得到该有限元模型的力学性能状态信息，其中，在分析过程中的分析对象不包括螺纹联接的螺纹组件特征。
本发明提供的一种几何模型力学性能分析装置，包括：
控制单元，用于确定待分析几何模型中联接件和被联接件的应力锥理论面；根据联接件和被联接件的螺纹联接装配结合面和所述应力锥理论面，确定螺纹实际结合面的区域；
有限元模型建立单元，用于针对所述螺纹实际结合面的区域，建立有限元模型；
分析单元，用于对所述有限元模型进行静态分析得到该有限元模型的力学性能状态信息，其中，在分析过程中的分析对象不包括螺纹联接的螺纹组件特征。
本发明方案中，对所述有限元模型进行静态分析得到该有限元模型的力学性能状态信息，其中，在分析过程中的分析对象不包括螺纹联接的螺纹组件特征当螺纹联接结合面在有限元分析项目中属于非主要研究对象时，可以起到有效、快速模拟螺纹联接结合面，并进行力学性能分析的特点。使用该方法进行装配体力学性能分析，该方法简单、有效。
附图说明
图1为螺纹联接的结合面示意图；
图2a和图2b为应力锥及产生范围直径的两种示意图；
图3a为第一原始模型；图3b为第一原始模型应力锥理论面示意图；图3c为第一原始模型装配结合面示意图；图3d为第一原始模型的实际结合面示意图；
图4a为第二原始模型；图4b为第二原始模型装配结合面示意图；图4c为第二原始模型的实际结合面示意图；
图5a为结合面分割后的示意图；图5b为三维模型；
图6a为结合面分割后的联接面和被联接面的网格划分后的示意图；图6b为三维模型划分网格后的示意图；
图7为实际结合面示意图；
图8a和设置约束条件后的示意图；图8b为施加载荷后的示意图；
图9a、图9c和图9e中高亮显示部分均为应力锥面积与装配结合面面积求交集后取得的实际结合面积示意图；图9b、图9d和图9f分别为图9a、图9c和图9e等效替代面积示意图；
图10为本发明实施例方法的流程示意图；
图11为本发明实施例装置的结构示意图。
具体实施方式
参见图10所示，本发明实施例的几何模型力学性能分析方法包括以下步骤：
步骤111：确定待分析几何模型中联接件和被联接件的应力锥理论面。
具体的，可以首先比较获得的联接件厚度(H1)与被联接件的厚度的大小(H2)，将厚度小的值作为计算等效结合区域的高度值(H)；且根据将联接件和被联接件进行螺纹联接的螺纹组件的等效直径，比如：螺栓或螺钉的尺寸、垫片的等效直径，获得计算等效结合区域的通孔直径(L1)。
比如：参见图2a和图2b所示，螺栓和螺母拧紧时中间具有垫片，如果采用垫片的直径大于螺母的螺纹公称直径s值时，L1＝1.5倍螺纹公称直径；采用垫片的直径小于螺母s值时，L1为垫片的直径或等效直径。其中，S表示螺纹公称直径，L1表示等效结合区域的通孔直径，当等效结合区域为梯形时，可以将一个底边的长度作为通孔直径。
然后，通过应力锥的原则，根据垫片的类型、所述底边的长度值和所述高度值，确定应力锥理论面，图中L为形成的应力锥的一个地面的直径。该面是一个圆形区域Sz＝0.25πD2，该圆直径D＝L1+2×Tan(90-θ)×H，θ在35～55度之间。
步骤112：根据联接件和被联接件的螺纹联接装配结合面和所述应力锥理 论面，确定螺纹实际结合面的区域。这里，所述螺纹实际结合面的区域为所述螺纹联接装配结合面和所述应力锥理论面的交集。
比如：参见图3a～图3d所示，原始模型为通过螺纹组件联接的截面为圆环形的联接件和被联接件，该模型的应力锥理论面如图3b所示，图中阴影部分为应力锥理论面，图3c示意出联接件和被联接件的装配结合面，其中，阴影部分分别为联接件和被联接件的装配结合面，而联接件和被联接件之间的实际结合面的区域为所述螺纹联接装配结合面和所述应力锥理论面的交集，如图3d所示的阴影部分。
再如：参见图4a～4c所示，图4a为通过螺纹组件联接的两个长方体的联接件和被联接件的原始模型，图4b所示的阴影部分为其装配结合面，图4c的阴影部分示意出了其实际结合面。
步骤113：针对所述螺纹实际结合面的区域，建立有限元模型。
步骤113可以这样实现：
(1)删除待分析几何模型中起非主要研究对象的螺纹特征，比如：各种螺栓、螺钉、垫片和螺母等。
(2)输入H1为23mm、H2为37mm，通孔直径22mm，D＝22+2*23＝68mm。
(2)利用三维软件或有限元分析软件对对待分析几何模型中螺纹联接装配面进行分割，得到螺纹联接面和被联接面，参见图5a和图5b所示。
(3)根据设置的联接面和被联接面的单元类型，对螺纹联接面和被联接面进行网格划分，比如：具体参见图6a和图6b所示，并将联接面和被联接面的实际结合面进行结合。这里的单元类型为网格类型、具体可以包括网格的形状、大小等。
这里，作为一种实施方式可以这样实现，在建立的所述有限元模型中删除了用于螺纹联接的螺纹组件特征，所述螺纹组件特征包括螺纹、螺钉、螺母和垫片中的一种或几种。则在分析过程中分析对象不包括用于螺纹联接的螺纹组件特征；另一种实施方式中，如果建立的有限元模型中包括用于螺纹联接的螺 纹组件特征，则可以在计算分析过程中忽略螺纹联接的螺纹组件特征的分析对象，这样，作为待分析模型中的非主要研究对象，用于螺纹联接的螺纹组件被删除或忽略，不仅不影响分析结果，而且可以大大提高计算分析速度。
如图7所示，实际结合面结合后的效果为面A1与面B1成为一个面，面A2与面B2成为一个面，直到面A12与面B12成为一个面。具体实施方法为：
一、划分网格前把三维模型中已经分割的面A1与面B1做布尔加运算，使其成为一个面，直到面A12与面B12做布尔加运算。
二、节点耦合法，具体为利用有限元软件把面A1与面B1，面A2与面B2…面A12与面B12上网格的节点分别耦合；
三、接触面绑定法，具体为利用有限元软件把面A1至面A12作为目标面或接触面，面B1至面B12作为接触面或目标面，形成接触对，并把接触对做绑定设置。
在对螺纹结合面的处理上，三种方法均可，视所用软件的实用性，任选一种即可，达到的效果是一致的。
(4)设置边界条件，所述边界条件包括约束条件、载荷条件和接触条件中的任意一个或几个。当然，也可以设置其他分析的条件。
可以根据算例的需要，进行约束条件的添加，参见图8a所示，本实施例中，对联接盘的一个端面进行固定约束，因为该端面部位是焊接联接在一箱体之上，本算例中主要是计算两法兰之间在受力后的间隙及两管卡的变形与应力状态，图8a中箭头80所指示的面被固定约束，即约束6个自由度。
也可以根据算例需要，进行载荷的添加，参见图8b所示，本实施例中，对法兰盘的端面添加Y向及轴向拉力，即按照箭头81所指示的方向对图8a中箭头80所指示的面施加法向力。
在上述方案中，可以对螺纹联接面和被联接面的实际结合区域进行面的布尔加运算，再根据设置的联接面和被联接面的单元类型，对螺纹联接面和被联接面进行网格划分，也可以根据设置的联接面和被联接面的单元类型，对螺纹 联接面和被联接面进行网格划分，对实际结合面上的节点进行耦合处理或在实际结合面中形成接触且接触类型为绑定。
步骤114：对所述有限元模型进行静态分析得到该有限元模型的力学性能状态信息，比如：位移计算结果、应力计算结果。其中，在分析过程中的分析对象不包括螺纹联接的螺纹组件特征。
这里，作为一种实施方式可以这样实现，在建立的所述有限元模型中删除了用于螺纹联接的螺纹组件特征，则在分析过程中分析对象不包括用于螺纹联接的螺纹组件特征；另一种实施方式中，如果建立的有限元模型中包括用于螺纹联接的螺纹组件特征，则可以在计算分析过程中忽略螺纹联接的螺纹组件特征的分析对象，这样，作为待分析模型中的非主要研究对象，用于螺纹联接的螺纹组件被删除或忽略，不仅不能影响分析结果，而且可以大大提高计算分析速度，快速为设计者提供所需的数据，为设计的验证就优化提供有力的数据支持。
本发明涉及螺纹联接结合面有限元模型建立的方法，及使用该方法进行装配体力学性能分析，该方法简单、有效；当螺纹联接结合面在有限元分析项目中属于非主要研究对象时，可以起到有效、快速模拟螺纹联接结合面，且易于实现对结合面进行自动化处理，进一步进行力学性能分析的特点。
本发明利用应力锥得到的有效结合面，可用等效面积的形式替代。
图9a、图9c和图9e中高亮显示部分均为应力锥面积与装配结合面面积求交集后取得的实际结合面积，图9b、图9d和图9f分别为图9a、图9c和图9e的等效替代面积。在实际应用中，当应力锥面积重叠到一定程度，可用图9b、图9d和图9f所示的情况分别替代图9a、图9c和图9e，即图9b为替代图9a，图9d可替代图9c，图9f可替代图9e。
本发明需要根据应力锥原理求出单个螺纹联接结合处的理论应力影响范围，该范围实质为圆形；如果使用别的形状等效替代圆形也应属于本发明的范畴；本发明的实际结合面为装配结合面与应力锥理论面的交集；利用近似的区 域范围也应属于本发明范畴。
参见图11所示，本实施例的几何模型力学性能分析装置，包括：
控制单元101，用于确定待分析几何模型中联接件和被联接件的应力锥理论面；根据联接件和被联接件的螺纹联接装配结合面和所述应力锥理论面，确定螺纹实际结合面的区域；
有限元模型建立单元102，用于针对所述螺纹实际结合面的区域，建立有限元模型；
分析单元103，用于对所述有限元模型进行静态分析得到该有限元模型的力学性能状态信息，其中，在分析过程中的分析对象不包括螺纹联接的螺纹组件特征。
所述有限元模型中没有用于螺纹联接的螺纹组件特征，或，所述分析单元103用于在分析过程中的分析对象不包括螺纹联接的螺纹组件特征。
所述控制单元101用于比较获得的联接件厚度与被联接件的厚度的大小，将厚度小的值作为计算等效结合区域的高度值；且根据将联接件和被联接件进行螺纹联接的螺纹组件的等效直径，比如：螺栓或螺钉的尺寸、垫片的等效直径，获得计算等效结合区域的一个底边的长度值；通过应力锥的原则，所述底边的长度值和所述高度值，确定应力锥理论面。
所述螺纹实际结合面的区域为所述螺纹联接装配结合面和所述应力锥理论面的交集。
如果所述有限元模型中没有用于螺纹联接的螺纹组件特征，则所述有限元模型建立单元102用于删除待分析几何模型中螺纹特征；根据设置的联接面和被联接面的单元类型，对螺纹联接面和被联接面进行网格划分，并将联接面和被联接面的实际结合面进行结合；设置边界条件，所述边界条件包括约束条件、载荷条件和接触条件中的任意一个或几个。
所述有限元模型建立单元102用于在确定螺纹实际结合面的区域后，进一步对待分析几何模型中螺纹联接装配面进行分割，得到螺纹联接面和被联接 面。
所述有限元模型建立单元102用于对螺纹联接面和被联接面的实际结合区域进行面的布尔加运算，再根据设置的联接面和被联接面的单元类型，对螺纹联接面和被联接面进行网格划分。
所述有限元模型建立单元102用于根据设置的联接面和被联接面的单元类型，对螺纹联接面和被联接面进行网格划分，对实际结合面上的节点进行耦合处理或在实际结合面中形成接触且接触类型为绑定。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种应用几何模型力学性能分析方法设计及优化实际装配体的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
确定待分析几何模型中联接件和被联接件的应力锥理论面；
根据联接件和被联接件的螺纹联接装配结合面和所述应力锥理论面，确定螺纹实际结合面的区域；所述螺纹实际结合面的区域为所述螺纹联接装配结合面和所述应力锥理论面的交集；
针对所述螺纹实际结合面的区域，建立有限元模型；
对所述有限元模型进行静态分析得到该有限元模型的力学性能状态信息，根据所述有限元模型的力学性能状态信息设计及优化实际装配体，其中，在分析过程中的分析对象不包括螺纹联接的螺纹组件特征；
其中，所述确定待分析几何模型中联接件和被联接件的应力锥理论面，包括：
比较获得的所述联接件厚度H1与被联接件的厚度H2的大小，将厚度小的值作为计算等效结合区域的高度值H；且根据将联接件和被联接件进行螺纹联接的螺纹组件的等效直径获得计算等效结合区域的一个底边的长度值L1；
通过应力锥的原则，根据所述底边的长度值L1和所述高度值H，确定应力锥理论面，所述应力锥理论面直径D=L1+2×Tan（90-θ）×H，θ在35～55度之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元模型中没有用于螺纹联接的螺纹组件特征，或，在分析过程中忽略螺纹联接的螺纹组件特征的分析对象。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，如果所述有限元模型中没有用于螺纹联接的螺纹组件特征，则所述建立有限元模型包括：
删除待分析几何模型中螺纹特征；
根据设置的联接面和被联接面的单元类型，对螺纹联接面和被联接面进行网格划分，并将联接面和被联接面的实际结合面进行结合；
设置边界条件，所述边界条件包括约束条件、载荷条件和接触条件中的任意一个或几个。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在确定所述螺纹实际结合面的区域后，进一步包括：对所述待分析几何模型中螺纹联接装配面进行分割，得到螺纹联接面和被联接面。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对螺纹联接面和被联接面进行网格划分，并将联接面和被联接面的实际结合面进行结合包括：
对螺纹联接面和被联接面的实际结合区域进行面的布尔加运算，再根据设置的联接面和被联接面的单元类型，对螺纹联接面和被联接面进行网格划分；或，
所述对螺纹联接面和被联接面进行网格划分，并将联接面和被联接面的实际结合面进行结合包括：
根据设置的联接面和被联接面的单元类型，对螺纹联接面和被联接面进行网格划分，对实际结合面上的节点进行耦合处理或在实际结合面中形成接触且接触类型为绑定。
6.一种应用几何模型力学性能分析方法设计及优化实际装配体的装置，其特征在于，包括：
控制单元，用于确定待分析几何模型中联接件和被联接件的应力锥理论面；根据联接件和被联接件的螺纹联接装配结合面和所述应力锥理论面，确定螺纹实际结合面的区域；所述螺纹实际结合面的区域为所述螺纹联接装配结合面和所述应力锥理论面的交集；
有限元模型建立单元，用于针对所述螺纹实际结合面的区域，建立有限元模型；
分析单元，用于对所述有限元模型进行静态分析得到该有限元模型的力学性能状态信息，根据所述有限元模型的力学性能状态信息设计及优化实际装配体，其中，在分析过程中的分析对象不包括螺纹联接的螺纹组件特征；
其中，所述控制单元具体用于根据如下过程确定待分析几何模型中联接件和被联接件的应力锥理论面：
比较获得的所述联接件厚度H1与被联接件的厚度H2的大小，将厚度小的值作为计算等效结合区域的高度值H；且根据将联接件和被联接件进行螺纹联接的螺纹组件的等效直径获得计算等效结合区域的一个底边的长度值L1；
通过应力锥的原则，根据所述底边的长度值L1和所述高度值H，确定应力锥理论面，所述应力锥理论面直径D=L1+2×Tan（90-θ）×H，θ在35～55度之间。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述有限元模型中没有用于螺纹联接的螺纹组件特征，或，所述分析单元，用于在分析过程中的分析对象不包括螺纹联接的螺纹组件特征。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，如果所述有限元模型中没有用于螺纹联接的螺纹组件特征，则所述有限元模型建立单元，用于删除待分析几何模型中螺纹特征；根据设置的联接面和被联接面的单元类型，对螺纹联接面和被联接面进行网格划分，并将联接面和被联接面的实际结合面进行结合；设置边界条件，所述边界条件包括约束条件、载荷条件和接触条件中的任意一个或几个。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述有限元模型建立单元，用于在确定所述螺纹实际结合面的区域后，进一步对所述待分析几何模型中螺纹联接装配面进行分割，得到螺纹联接面和被联接面。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述有限元模型建立单元，用于对螺纹联接面和被联接面的实际结合区域进行面的布尔加运算，再根据设置的联接面和被联接面的单元类型，对螺纹联接面和被联接面进行网格划分；或者，
所述有限元模型建立单元，用于根据设置的联接面和被联接面的单元类型，对螺纹联接面和被联接面进行网格划分，对实际结合面上的节点进行耦合处理或在实际结合面中形成接触且接触类型为绑定。
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-
2012
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