CN103678753A - 一种分离界面连接强度的有限元计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种分离界面连接强度的有限元计算方法，包括以下步骤：S1：建立分离界面下对接框与上对接框的整体三维有限元模型，并将分离螺母简化为梁单元；S2：建立下对接框与上对接框的接触关系，并将分离螺母两端与下对接框、上对接框之间建立多点约束关系；S3：提交运算并输出梁单元的最大轴力与剪力，最大剪力为梁单元两个方向剪力的合力；S4：建立分离界面上单个连接点的局部模型，考虑各个部件之间的相互接触关系；S5：建立分析步，提交运算；S6：对S5中提交的运算结果进行后处理，获得各个部件的应力与变形。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器分离技术领域，特别涉及一种分离界面连接强度的有限元计算方法。
背景技术
目前，对于点式连接分离面的连接强度计算主要有两种方法：一是工程算法，二是有限元算法。对于工程算法，当分离面的连接点较多时不能准确评估连接点之间受力的不均匀性。因此，不能准确计算分离螺母与抗剪锥套的强度问题。而现有的有限元方法由于要考虑各个零部件之间的相互接触，使计算量大大增加，甚至计算不能收敛。
梁单元是现有的用于生成三维结构的一维理想化数学模型。与实体单元和壳单元相比，梁单元可以效率更高的求解。两种新的有限元应变单元，BEAM188和BEAM189，提供了更强大的非线性分析能力，更出色的截面数据定义功能和可视化特性。
本发明公开了一种根据现有的有限元软件进行计算分离面连接强度的方法，该计算方法简单，效率高，可以用来对分离连接面的连接强度进行强度计算。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种分离界面连接强度的有限元计算方法，不需考虑各个部件之间复杂的接触关系，大大减少了计算量，并且避免了由于复杂的接触关系引起的不收敛问题，因此提高了计算效率；同时，由于采用局部模型，有限元网格可以划分较细，提高计算精度。
本发明通过以下技术方案实现：
一种分离界面连接强度的有限元计算方法，分离界面，包括上对接框、下对接框、分离螺母与抗剪锥套，包括以下步骤：
S1：建立分离界面下对接框与上对接框的整体三维有限元模型，将分离螺母简化为梁单元，不考虑抗剪锥套与上对接框、下对接框之间的接触关系；
S2：建立下对接框与上对接框的接触关系，并将分离螺母两端与下对接框、上对接框之间建立多点约束关系；
S3：提交运算并输出梁单元的最大轴力与剪力，的最大剪力为梁单元两个方向剪力的合力；
S4：建立分离界面上单个连接点的局部细化模型，考虑各个部件之间的相互接触关系、材料属性，并在下对接框施加边界条件，上对接框施加载荷；
S5：建立分析步，在上对接框、下对接框之间施加运算得到的梁单元的最大轴力与剪力，提交运算；
S6：对S5中提交的运算结果进行后处理，获得各个部件的应力与变形。
较佳的，步骤S4中的分离界面上单个连接点的局部模型为局部三维有限元模型，包括：分离螺母模型、抗剪锥套模型、局部上对接框模型、局部下对接框模型、垫片模型、锁紧螺母模型。
较佳的，步骤S4中的考虑各个部件之间的相互接触关系包括：建立抗剪锥套与下对接框、上对接框的接触关系，建立分离螺母与下对接框的接触关系，建立垫片与上对接框、锁紧螺母的接触关系，建立上对接框与下对接框的接触关系，建立锁紧螺母与上对接框的绑定关系。
附图说明
图1为本发明一分离连接界面的结构示意图；
图2为本发明一种分离界面连接强度的有限元计算方法的流程图；
图3为本发明的整体三维有限元模型示意图；
图4为本发明的分离连接点的局部放大图；
图5为本发明的分离界面上单个连接点的局部三维有限元模型；
图6为本发明在施加整体模型中计算得到的梁单元最大轴力与剪力载荷后，局部连接点处的各部位应力分布云图。
符号说明：1-分离螺母；2-抗剪锥套；4-下对接框；5-上对接框； 7-垫片； 9-锁紧螺母。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，为本发明实施例的一个分离连接界面的结构示意图。
请参考图2，本发明提供的分离界面连接强度的有限元计算方法，较为详细的，包括以下步骤：
步骤1：建立分离界面下对接框4与上对接框5的整体三维有限元模型，并将分离螺母1简化为梁单元，如图3所示，使用有限元Abaqus 软件建立分离界面下对接框4与上对接框5的三维几何模型，进行装配后对所有部件进行网格划分。由于被连接件均为较大的金属结构，因此在网格划分中均采用实体网格；为了减少网格数量，提高计算效率，上对接框4与下对接框5均采用四面体网格形式，分离螺母采用三维梁单元进行模拟。
步骤2：建立下对接框4与上对接框5的接触关系，并将分离螺母1两端与下对接框4、上对接框5之间建立多点约束关系，如图4所示，采用Abaqus 软件中的Tie 命令，将下对接框4的上端面定义为接触的主面，将上对接框5的下端面定义为接触的从面，进而模拟下对接框4与上对接框5的接触关系。采用Abaqus 软件中的MPC 命令，将分离螺母1的上端与上对接框5的螺纹孔边缘，分离螺母1的下端与下对接框4的螺纹孔边缘采用多点约束的方式进行模拟。
步骤3：分别赋予各部件的材料属性，并在下对接框4施加边界条件，上对接框5施加载荷，边界条件包括：主要在下对接框4的下端面施加全自由度的约束。载荷条件包括：在上对接框5上端面的各个螺栓孔处建立MPC单元，并在相应MPC 的主控点处施加载荷。
步骤4：建立分析步，在Abaqus 软件中的Step 模块下建立载荷分析步，将最小增量定义为0.01，最大增量定义为0.1；将建立正确的有限元模型提交有限元分析软件中进行求解，提交运算并输出梁单元的最大轴力与剪力。
步骤5：建立分离界面上单个连接点的局部三维有限元模型，模型中包括分离螺母1、抗剪锥套2、局部上对接框4、局部下对接框5、垫片7、锁紧螺母9，如图5所示；
步骤6：建立抗剪锥套2与下对接框4、上对接框5的接触关系；建立分离螺母1与下对接框4的接触关系；建立垫片7与上对接框5、锁紧螺母9的接触关系；建立上对接框5与下对接框4的接触关系；建立锁紧螺母9与上对接框5的绑定关系。
步骤7：基于分离螺母1、抗剪锥套2、局部上对接框4、局部下对接框5、垫片7、锁紧螺母9所使用的材料，分别赋予各部分的材料属性；在局部下对接框4的下端面施加全自由度的约束，在局部上对接框4、局部下对接框5之间施加运算得到的梁单元的最大轴力与剪力。
步骤8：在Abaqus 软件中的Step 模块下建立载荷分析步，仍将最小增量定义为0.01，最大增量定义为0.1；将建立正确的有限元模型提交有限元分析软件中进行求解。
步骤9：在Abaqus 软件中的Visualization 模块下读取计算后的odb文件，对步骤8中的计算结果进行后处理，获得各个部件的应力与变形，如图6所示。
该方法首先通过建立相对粗略的整体有限元模型，不考虑抗剪锥套与端框之间的接触关系，计算出各个分离连接点的内力。然后建立局部细化模型，考虑所有的接触关系，在端框上施加第一步计算得到的最大内力，计算抗剪锥套与分离螺母的强度。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。
Claims (3)
1.一种分离界面连接强度的有限元计算方法，其中，分离界面包括上对接框、下对接框、分离螺母与抗剪锥套，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立分离界面下对接框与上对接框的整体三维有限元模型，将分离螺母简化为梁单元，不考虑抗剪锥套与上对接框、下对接框之间的接触关系；
S2：建立下对接框与上对接框的接触关系，并将分离螺母两端与下对接框、上对接框之间建立多点约束关系；
S3：提交运算并输出梁单元的最大轴力与剪力，所述的最大剪力为梁单元两个方向剪力的合力；
S4：建立分离界面上单个连接点的局部细化模型，考虑各个部件之间的相互接触关系、材料属性，并在下对接框施加边界条件，上对接框施加载荷；
S5：建立分析步，在上对接框、下对接框之间施加运算得到的梁单元的最大轴力与剪力，提交运算；
S6：对S5中提交的运算结果进行后处理，获得各个部件的应力与变形。
2.如权利要求1所述的分离界面连接强度的有限元计算方法，其特征在于，步骤S4中所述的分离界面上单个连接点的局部模型为局部三维有限元模型，包括：分离螺母模型、抗剪锥套模型、局部上对接框模型、局部下对接框模型、垫片模型、锁紧螺母模型。
3.如权利要求1所述的分离界面连接强度的有限元计算方法，其特征在于，步骤S4中所述的考虑各个部件之间的相互接触关系包括：建立抗剪锥套与下对接框、上对接框的接触关系，建立分离螺母与下对接框的接触关系，建立垫片与上对接框、锁紧螺母的接触关系，建立上对接框与下对接框的接触关系，建立锁紧螺母与上对接框的绑定关系。
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