CN105183988B

CN105183988B - 一种接地螺栓通电后温度及应力应变有限元计算分析方法

Info

Publication number: CN105183988B
Application number: CN201510563377.2A
Authority: CN
Inventors: 卢凯; 黄文�; 曾慧中
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2018-05-18
Anticipated expiration: 2035-09-07
Also published as: CN105183988A

Abstract

本发明属于仿真计算技术领域，涉及一种接地螺栓通电后温度及应力应变有限元分析计算方法。该方法：首先进行接地螺栓通电试验测量，采集螺栓通入不同电流后的数据；然后用Auto CAD建立几何模型，并将其导至仿真计算软件COMSOL Multiphysics，在该软件中建立物理模型、设定材料参数；根据试验数据和计算结果，动态地检验和修改边界条件，得到了接地螺栓通入电流的边界条件设定的优化方案；最后建立有限元网格并计算，导出计算结果至数据分析软件，得到通入不同电流的情况下，螺栓在此过程中温度、应力和应变的演变情况。本发明使得接地螺栓通入电流后温度及应力应变的建模计算结果更加准确，对接地螺栓的试验测量提供了支持。

Description

一种接地螺栓通电后温度及应力应变有限元计算分析方法

技术领域

本发明属于仿真计算技术领域，具体涉及一种接地螺栓通电后温度及应力应变有限元分析计算方法，尤其是基于实测数据和多种物理量瞬态仿真技术耦合，对接地螺栓通入电流后温度及应力应变变化情况进行有限元计算分析。

背景技术

螺栓连接作为连接结构中一种广泛采用的连接方式，是钢结构领域最常见最重要的连接方式，在工业和民用领域发挥着重要的作用。螺栓的主要制造材料是钢材，因为钢材不耐高温，所以随着温度的升高，钢材的性能会发生较大的变化(如机械性能急剧下降)。接地螺栓通入电流之后，会产生焦耳热，温度升高会引起螺栓应力、应变发生变化。这种焦耳热的效应会对接地螺栓产生损坏，带来严重的安全隐患。因此，对接地螺栓在通入电流后的温度及应力应变的变化研究十分重要。

目前，已有关于螺栓在不同工作环境下的有限元计算分析。石秀勇等(发动机飞轮螺栓的三维有限元计算分析.中国机械工程2006,4(17):845-848)在其研究中对发动机的飞轮螺栓进行了三维有限元计算，得出了螺栓工作状态下最危险点发生的位置。张朝晖等(火箭级间段连接螺栓失效数值模拟.强度与环境2007,8(34):49-57)采用有限元分析，对单个螺栓和级间段连接螺栓的相继失效进行数值模拟。

但是目前尚未出现关于接地螺栓在通入电流后温度与应力、应变的耦合计算。

发明内容

针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种接地螺栓通电后温度及应力应变有限元计算分析方法。该方法基于真实采集的数据和多参数瞬态数值模拟仿真技术；适用于接地螺栓在通入电流后，螺栓表面与体内截面的温度、应力、应变的评估。

该接地螺栓通电后温度及应力应变有限元计算分析方法，包括以下步骤：

S1.将接地螺栓接入实验测量平台进行通入电流实验测量

采集接地螺栓在通入不同电流梯度后的数据，包括环境温度、材料参数、温升情况和形变情况；

S2.建立几何模型并导入至计算软件

在Auto CAD建模软件中，根据目标接地螺栓的内部结构和几何尺寸，建立目标螺栓的三维几何模型；按照COMSOL多物理场仿真软件的要求导出合适的几何模型格式,将建立的三维几何模型导入至仿真计算软件中。

S3.建立物理模型，设定材料参数

在COMSOL中的结构力学模型库中选择焦耳热和热膨胀模型，设定材料参数，包括：热容、热导率、电导率、密度、杨氏模量、泊松比、相对介电常数、热膨胀系数和密度。

S4.根据S1的实验测量结果建立边界条件，建立有限元网格并计算，导出计算结果至数据分析软件，得到通入不同电流的情况下，螺栓在此过程中温度、应力和应变的演变情况。

所述S2的建立几何模型的方式为：

简化螺杆和螺帽的螺纹，假设螺杆与螺帽紧密接触。

所述S4的建立的边界条件具体为：

1).电流：

a).电流守恒：所有域。

b).电绝缘：所有边界。

c).初始值：电势：0V。

d).接触阻抗：表面阻抗：和螺帽接触的水平电阻。

e).接触阻抗：表面阻抗：和螺帽接触的竖直电阻。

f).电流源：536201A/m³。

g).接地：铝板。

2).固体传热：

a).固体传热：所有域。

b).初始值：293.15[k]。

c).热通量：向内热通量。

3).固体力学：

a).线弹性材料：所有域。

a).固定约束：和螺杆、螺帽产生面接触的区域。

b).自由：非受限端。

4).多物理场：

a).热膨胀：固体传热、固体力学。

b).电磁热源：电流、固体传热。

c).边界电磁热源：电流、固体传热。

d).温度耦合:固体传热、固体力学。

e).温度耦合:固体力学、电流。

所述S4的建立的有限元网格为：

最大单元尺寸＝2.68mm；最小单元尺寸＝0.0268mm；单元增长率＝1.3；曲率指数＝0.2；狭区松弛度＝1。

本发明通过实际测量和仿真计算相结合的方式，模拟接地螺栓在通入电流后，零件表面、截面、体内、特殊点的温度、应力、应变的变化情况，获得了通过完全实际测量不可能或者不方便取得的数据。完全实际测量要较多的人力、物力、财力，同时零件在通入大电流的情况下，有发生爆炸的危险。并且零件在通入电流瞬间的变化，很难通过实际测量得到相对准确的数据。但是数值仿真计算技术，很难和实际情况完美匹配，本发明揭示了一种获得更加接近实际情况计算方法。

综上所述，本发明的有益效果为：避免了完全实际测量需要较多的人力、物力、财力；获得了通过实际测量不可能或者不方便取得的数据；提供了一种结果更加准确的计算分析方法。

附图说明：

图1为数值仿真技术实施过程图；

图2为计算所用的有限元网格示意图；

图3为零件在通入300A电流时表面温度(单位:℃)随时间的变化；

图4为零件在通入300A电流时表面应力(单位:N/cm²)随时间的变化情况；

图5为零件在通入300A电流时表面应变(单位:mm)随时间变化情况；

图6为零件在通入300A电流时最高温度点的温度随时间的变化；

图7为零件在通入300A电流时应力最大的点的应力随时间的变化；

图8为零件在通入300A电流时应变最大的点的应变随时间的变化；

图9为零件在通入300A至20000A梯度电流时温度随时间的变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

参见图1数值模拟方法的实施过程。

接地螺栓通电后温度及应力应变有限元计算分析方法实施例，包括以下步骤：

S1.进行接地螺栓通入电流实验测量，采集螺栓通入不同电流后的数据。采集接地螺栓在通入不同电流梯度后(具体为300A、1000A、2000A)，螺栓表面温度和形变情况。电流梯度设定为从额定电流到极限电流，因为接地螺栓在通入大电流的情况下，具有在瞬间产生爆炸的危险，所以整个测试过程需做好安全措施。

S2.在Auto CAD建模软件中，根据螺栓的内部尺寸和几何结构建立目标螺栓的三维几何模型。为了建立网格的方便和突出主要问题，建立模型时简化了螺杆和螺帽的螺纹，假设螺杆和螺帽平滑接触。按照COMSOL多物理场仿真软件的要求导出合适的几何模型格式,将建立的三维几何模型导入至仿真计算软件中，图2为通过建模软件得到的模型。

S3.在COMSOL中的结构力学模型库中选择焦耳热和热膨胀模型，对每个实体设定材料参数，包括：热容、热导率、电导率、相对介电常数、热膨胀系数、密度、杨氏模量、泊松比。具体的材料参数如下表：

	钢	铜	铝
				热容[J/(kg*K)]	475	385	900
热导率[W/(m*K)]	44.5	400	238
				电导率[S/m]	4.032e6	5.998e7	3.774e7
相对介电常数	1	1	1
				热膨胀系数[S/m]	12.3e-6	17e-6	23e-6
密度[S/m]	7850	8700	2700
				杨氏模量[Pa]	200e9	110e9	70e9
泊松比	0.33	0.35	0.33

S4.根据S1的实验测量结果建立边界条件，建立有限元网格并计算，所采用的有限元网格为：最大单元尺寸＝2.68mm；最小单元尺寸＝0.0268mm；单元增长率＝1.3；曲率指数＝0.2；狭区松弛度＝1。在将数据导入至数据分析软件Tecplot或Origin之前，需要对数据进行处理，以满足数据处理软件对数据格式的要求，得到通入不同电流的情况下，螺栓在此过程中温度、应力、应变的演变情况。分别仿真计算从铜导线通入300A，1000A，2000A，5000A，10000A，15000A，20000A的电流，模拟计算整个零件的焦耳热、应力、应变分布随时间的演变。

图3、图4、图5分别演示了接地螺栓通入300A电流时，螺栓表面的温度、应力、应变随在8秒内的变化情况。

图6、图7、图8分别演示了接地螺栓通入300A电流时，最值点的温度、应力、应变随在8秒内的变化情况。

图9演示了接地螺栓通入300A，1000A，2000A，5000A，10000A，15000A，20000A电流时，螺栓表面的最高温度在8秒内的变化情况。

Claims

1.一种接地螺栓通电后温度及应力应变有限元计算分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：接地螺栓通入电流试验测量

将接地螺栓接入试验测量装置，采集螺栓通入不同电流后的数据，包括环境温度、材料参数、温升情况和形变情况；

步骤二：建立几何模型并导入至计算软件

在Auto CAD建模软件中，根据目标接地螺栓的内部结构和几何尺寸，建立目标螺栓的三维几何模型；按照COMSOL多物理场仿真软件的要求导出合适的几何模型格式,将建立的三维几何模型导入至仿真计算软件中；

步骤三：建立物理模型，设定材料参数

在COMSOL中选择焦耳热和热膨胀模型，设定材料参数，包括：热容、热导率、电导率、密度、杨氏模量、泊松比、相对介电常数、热膨胀系数和密度；

步骤四：根据步骤一采集的数据，设定边界条件，建立有限元网格并计算；然后导出计算结果至数据分析软件，得到通入不同电流的情况下，螺栓在此过程中温度、应力和应变的演变情况；

边界条件的设置为：

1).电流：

a).电流守恒：所有域；

b).电绝缘：所有边界；

c).初始值：电势：0V；

d).接触阻抗：表面阻抗：和螺帽接触的水平电阻；

e).接触阻抗：表面阻抗：和螺帽接触的竖直电阻；

f).电流源：536201A/m³；

g).接地：铝板；

2).固体传热：

a).固体传热：所有域；

b).初始值：293.15[k]；

c).热通量：向内热通量；

3).固体力学：

a).线弹性材料：所有域；

b).固定约束：和螺杆、螺帽产生面接触的区域；

c).自由：非受限端；

4).多物理场：

a).热膨胀：固体传热、固体力学；

b).电磁热源：电流、固体传热；

c).边界电磁热源：电流、固体传热；

d).温度耦合:固体传热、固体力学；

e).温度耦合:固体力学、电流。

2.根据权利要求1所述的一种接地螺栓通电后温度及应力应变有限元计算分析方法，其特征在于：所述步骤二建立几何模型时，简化了螺杆和螺帽接触区域，螺杆和螺帽的接触采用的是平滑接触。

3.根据权利要求1所述的一种接地螺栓通电后温度及应力应变有限元计算分析方法，其特征在于：所述步骤四的建立的有限元网格为：最大单元尺寸＝2.68mm；最小单元尺寸＝0.0268mm；单元增长率＝1.3；曲率指数＝0.2；狭区松弛度＝1。

4.根据权利要求1所述的一种接地螺栓通电后温度及应力应变有限元计算分析方法，其特征在于：所述步骤四边界条件的设置，首先根据接地螺栓试验数据设定边界条件，计算后将仿真结果与实验结果比较，再修改边界条件，最后得到优化后的边界条件。