CN107563085A - 一种高强螺栓连接结构的有限元建模方法及强度评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强螺栓连接结构的有限元建模方法，连接结构包括与螺栓等长的螺杆及位于螺杆一端的螺栓头，螺杆另一端与夹紧体采用螺纹连接，建模方法包括：对螺栓头和夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模；用三维梁单元简化模拟螺杆部分；用梁单元连接实体单元与三维梁单元对应位置上的节点。上述螺杆的另一端可采用螺母连接来替代与夹紧体的螺纹连接；上述螺杆可替换为双头螺柱，螺栓头替换为螺母；本发明还公开了高强螺栓连接结构的强度评估方法，进一步包括：对夹紧体采用三维实体单元建模，模拟相互作用；对螺杆梁单元施加预紧力，在夹紧体上施加外载和约束，分步加载求解；提取结果，分析判断承载状态。本发明可保证结果精度和计算效率。

Description

一种高强螺栓连接结构的有限元建模方法及强度评估方法

技术领域

本发明涉及螺栓建模领域，特别是涉及一种适用于风力发电机组的高强螺栓连接结构的有限元建模方法及强度评估方法。

背景技术

高强螺栓是目前工业设计中用于结构连接最常用的形式之一，其优点是设计灵活，便于拆卸，方便连接结构的后期维护。但由于螺栓连接施工工艺复杂，受外界因素影响较多，因此在设计阶段须准确分析螺栓承载特性，确保连接强度能够满足设计要求，从而保证连接结构安全可靠。

目前螺栓连接强度分析以工程算法为主，根据连接结构形式划分为几大类，再结合经验系数建立力学平衡方程，从而推导出外载与螺栓表面应力关系。随着有限元技术发展和计算机技术进步，为求解分析螺栓受力提供了一种更加精确的方法。风力发电机组中采用的高强螺栓存在着所连接结构形式复杂、外部承载形式多样、螺栓数量多且排布无序等特点，因此能够找到一种快捷方便、能准确反映螺栓性能的有限元建模方法则成为解决螺栓设计分析的关键因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种快捷有效、能准确反映螺栓性能的可实现对高强螺栓连接结构的有限元仿真分析的有限元建模方法。

并再提供一种能够准确模拟在复杂工况作用下高强螺栓表面应力变化、确保设计安全的高强螺栓连接结构的强度评估方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种高强螺栓连接结构的有限元建模方法，所述高强螺栓连接结构包括与高强螺栓等长的螺杆及位于螺杆一端的螺栓头，所述螺杆的另一端与夹紧体采用螺纹连接，所述有限元建模方法包括如下步骤：

1)对螺栓头和夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模：将所述螺栓头、夹紧体的螺纹孔位置进行切分和几何处理得到若干三维几何体，使其具备扫略生成均匀网格的条件；将所述三维几何体扫略生成均匀六面体网格；

2)用三维梁单元简化模拟螺杆部分：将所述螺杆部分简化成位于轴线位置且与高强螺栓等长的直线段,所述螺杆部分包括螺纹杆和光杆，根据螺纹杆、光杆的特征将螺杆部分进行分段处理，所述螺栓头及与其对应的部分螺杆、夹紧体的螺纹孔及与其对应的部分螺杆在轴线方向的单元个数一致，所述梁单元能够真实反映螺杆截面所承受的轴力和弯矩；

3)用梁单元连接所述螺纹杆与夹紧体的螺纹孔位置单元节点，模拟螺纹连接关系，通过控制连接单元数量，模拟螺纹连接在轴线方向和圆周方向上的均匀性和连续性；

用梁单元连接所述螺栓头位置的螺杆与螺栓头单元节点，通过控制连接单元在圆周方向的数量，模拟螺栓头接触面上压力的均匀性。

进一步地，所述螺杆的另一端采用螺母连接方式来替代与夹紧体的螺纹连接；对应地，夹紧体的螺纹孔位置替换为螺母。

进一步地，所述与高强螺栓等长的螺杆替换为与高强螺栓等长的双头螺柱，所述位于螺杆一端的螺栓头替换为位于双头螺柱一端的第一螺母。

进一步地，所述螺杆的另一端采用螺母连接方式来替代与夹紧体的螺纹连接；对应地，将夹紧体的螺纹孔位置替换为第二螺母。

进一步地，所述步骤1)中，生成的均匀六面体网格沿螺栓轴线循环对称。

进一步地，所述三维梁单元的每个节点有6个方向自由度。

进一步地，所述步骤2)中的螺杆部分还包括缩径，根据螺纹杆、光杆、缩径的特征将螺杆部分进行分段处理。

进一步地，所述高强螺栓为风电机组领域的高强螺栓。

另一方面，提供一种高强螺栓连接结构的强度评估方法，包括所述的建模方法，还包括如下步骤：

S1：对夹紧体采用三维实体单元建模，在所述高强螺栓和夹紧体的每个接触面上设置接触单元模拟实际结构之间的相互作用；

S2：通过在模拟螺杆的梁单元中间位置设置预紧单元，并对螺杆梁单元施加预紧力，在所述夹紧体上施加外载和约束，分步加载求解；

S3：通过提取模拟螺杆梁单元截面上的力和应力结果，分析判断高强螺栓上的承载状态，完成连接结构强度评估。

进一步地，所述高强螺栓为风电机组领域的高强螺栓。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明的改进之处在于分段模拟高强螺栓全部特征，通过对螺栓头、夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模，对螺杆部分进行三维梁单元简化处理，螺杆部分根据光杆、螺纹杆、缩径等特征进行分段处理，并用梁单元连接螺纹杆与夹紧体的螺纹孔、用梁单元连接螺栓头位置的螺杆与螺栓头，从而模拟高强螺栓的全部特征；对螺栓头、夹紧体的螺纹孔位置的几何处理及网格均匀划分、螺杆部分分段模拟及螺纹啮合部位的连接处理为本发明的关键技术环节，是保证计算结果精度、确保本发明方法有效可行的核心；相应地，通过对夹紧体进行三维实体建模模拟实际结构之间的相互作用，并通过设置预紧单元并施加预紧力对高强螺栓连接结构进行强度评估；

(2)本发明也可以模拟双头螺柱连接结构，双头螺柱的螺杆一端连接的第一螺母则相当于位于高强螺栓螺杆一端的螺栓头，螺纹杆、光杆等部分的处理则与高强螺栓相同；

(3)本发明不仅可以模拟夹紧体对螺杆部分的预紧力，也可以模拟螺母；

(4)本发明为风力发电机组高强螺栓设计计算提供了一种快捷有效的建模方法，借助该方法可实现对螺栓连接结构进行快速有限元仿真分析，能够准确模拟在复杂工况作用下高强螺栓表面应力变化，确保设计安全，同时，相对传统有限元建模方法，该发明可大幅提高工作效率，能够保证研发进度和设计优化迭代，为风力发电机组整机设计技术不断进步提供技术保障。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明高强螺栓的工作几何模型的一个实施例的示意图；

图2是本发明的待模拟的单个高强螺栓的一个实施例的示意图；

图3是本发明模拟图1的单个高强螺栓的有限元模型的示意图；

图4是本发明双头螺柱的有限元模型的另一个实施例的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种适用于风力发电机组的高强螺栓连接结构的有限元建模方法的一个实施例，在某风力发电机组机型轮毂与主轴连接螺栓设计中采用该建模方法对螺栓连接结构进行了仿真计算及设计优化。优化前设计为52根10.9级M36的螺栓，优化后设计为48根10.9级M39螺栓，且螺栓自身极限、疲劳强度和螺栓连接的强度都能够满足设计要求。包括如下实施例：

实施例一

如图1至图3所示，高强螺栓4连接结构包括与高强螺栓等长的螺杆3及位于螺杆3一端的螺栓头1，螺杆3的另一端与夹紧体采用螺纹连接，高强螺栓连接结构的有限元建模方法包括如下步骤：

1)对螺栓头1和夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模：将螺栓头1、夹紧体的螺纹孔位置进行切分和几何处理得到若干三维几何体，使其具备扫略生成均匀网格的条件；将三维几何体扫略生成均匀六面体网格；

2)如图3所示，用三维梁单元简化模拟螺杆部分：将螺杆3部分简化成位于轴线位置且与高强螺栓等长的直线段,螺杆3部分包括螺纹杆31和光杆32，根据螺纹杆31、光杆32的特征将螺杆部分进行分段处理，螺栓头1及与其对应的部分螺杆33、夹紧体的螺纹孔及与其对应的部分螺杆在轴线方向的单元个数一致，梁单元能够真实反映螺杆截面所承受的轴力和弯矩；

3)用梁单元连接实体单元与三维梁单元对应位置上的节点,包括:

用梁单元连接螺纹杆31与夹紧体的螺纹孔位置单元节点，模拟螺纹连接关系，通过控制连接单元数量，模拟螺纹连接在轴线方向和圆周方向上的均匀性和连续性；

用梁单元连接螺栓头位置的螺杆与螺栓头1的单元节点，通过控制连接单元在圆周方向的数量，模拟螺栓头接触面上压力的均匀性。

本实施例通过分段模拟高强螺栓4全部特征，对螺栓头1、夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模，对螺杆3部分进行三维梁单元简化处理，螺杆3部分根据光杆32、螺纹杆31等特征进行分段处理，并用梁单元连接螺纹杆31与夹紧体的螺纹孔、用梁单元连接螺栓头1位置的螺杆与螺栓头1，从而模拟高强螺栓的全部特征；对螺栓头1、夹紧体的螺纹孔位置的几何处理及网格均匀划分、螺杆3部分分段模拟及螺纹啮合部位的连接处理为关键技术环节，是保证计算结果精度、确保方法有效可行的核心。

进一步地，建模方法的步骤1)中，生成的均匀六面体网格沿螺栓轴线循环对称。

优选地，建模方法的三维梁单元的每个节点可以优选有6个方向自由度。

进一步地，建模方法的步骤2)中的螺杆3部分还可以包括缩径，并可以根据螺纹杆31、光杆32、缩径的特征将螺杆部分进行分段处理。

进一步地，高强螺栓为风电机组领域的高强螺栓或双头螺柱。

进一步地，提供一种高强螺栓连接结构的强度评估方法，包括上述的建模方法，还包括如下步骤，如图3所示：

S1：对夹紧体采用三维实体单元建模，在高强螺栓4和夹紧体的每个接触面上设置接触单元模拟实际结构之间的相互作用，即在高强螺栓4的三个维度上采用夹紧体包括第一夹紧体5、第二夹紧体6和第三夹紧体7模拟高强螺栓4和实际结构之间的相互作用；

S2：通过在模拟螺杆3的梁单元中间位置设置预紧单元，并对螺杆3梁单元施加预紧力，在夹紧体上施加外载和约束，分步加载求解；

S3：通过提取模拟螺杆3梁单元截面上的力和应力结果，分析判断高强螺栓4上的承载状态，完成连接结构强度评估。

本实施例通过保留夹紧体的三维属性，更能准确模拟实际结构之间的作用关系。用梁单元模拟螺杆3及螺纹连接，能够得到高强螺栓上各截面上各个应力分量结果。相对于无螺栓简化和实体建模，本实施例更能真实反映螺栓承载状态，解决负载外载工况下螺栓连接结构强度分析问题。

实施例二

在实施例一的基础上，螺杆3的另一端的螺纹杆31部分采用螺母2连接方式来替代与夹紧体的螺纹连接；对应地，夹紧体的螺纹孔位置替换为螺母2，其他建模方法、评估方法与实施例一步骤相同，如图1至图3所示。

实施例三

在实施例一的基础上，如图4所示，与高强螺栓等长的螺杆3替换为与高强螺栓4等长的双头螺柱4’，位于螺杆3一端的螺栓头1替换为位于双头螺柱4’一端的第一螺母1’，螺杆3’部分分为螺纹杆31’和光杆32’，双头螺柱连接结构的有限元建模方法包括如下步骤：

1)对第一螺母1’和夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模：将第一螺母1’、夹紧体的螺纹孔位置进行切分和几何处理得到若干三维几何体，使其具备扫略生成均匀网格的条件；将三维几何体扫略生成均匀六面体网格；

2)用三维梁单元简化模拟螺杆部分：将螺杆3’部分简化成位于轴线位置且与双头螺柱等长的直线段,螺杆3’部分包括螺纹杆31’和光杆32’，根据螺纹杆31’、光杆32’的特征将螺杆3’部分进行分段处理，第一螺母1’及与其对应的部分螺杆33’、夹紧体的螺纹孔及与其对应的部分螺杆在轴线方向的单元个数一致，梁单元能够真实反映螺杆截面所承受的轴力和弯矩；

3)用梁单元连接实体单元与三维梁单元对应位置上的节点,包括:

用梁单元连接螺纹杆31’与夹紧体的螺纹孔位置单元节点，模拟螺纹连接关系，通过控制连接单元数量，模拟螺纹连接在轴线方向和圆周方向上的均匀性和连续性；

用梁单元连接第一螺母1’位置处的螺杆与第一螺母1’单元节点，通过控制连接单元数量，模拟螺母在圆周方向承载的均匀性。

本实施例以实施例一为基础，与高强螺栓等长的螺杆3替换为与高强螺栓4等长的双头螺柱4’，位于螺杆3一端的螺栓头1替换为位于双头螺柱4’一端的第一螺母1’，通过分段模拟双头螺柱全部特征，对第一螺母1’、夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模，对螺杆3’部分进行三维梁单元简化处理，螺杆3’部分根据光杆32’、螺纹杆31’等特征进行分段处理，并用梁单元连接螺纹杆31’与夹紧体的螺纹孔、用梁单元连接第一螺母1’位置的螺杆与第一螺母1’，从而模拟双头螺柱的全部特征；对第一螺母1’、夹紧体的螺纹孔位置的几何处理及网格均匀划分、螺杆3’部分分段模拟及螺纹啮合部位的连接处理为关键技术环节，是保证计算结果精度、确保方法有效可行的核心。

进一步地，建模方法的步骤1)中，生成的均匀六面体网格沿螺栓轴线循环对称。

优选地，建模方法的三维梁单元的每个节点可以优选有6个方向自由度。

进一步地，建模方法的步骤2)中的螺杆3’部分还可以包括缩径，并可以根据螺纹杆31’、光杆32’、缩径的特征将螺杆部分进行分段处理。

对上述双头螺柱的强度评估方法，包括上述的建模方法，还包括如下步骤：

S1：对夹紧体采用三维实体单元建模，在双头螺柱4’和夹紧体的每个接触面上设置接触单元模拟实际结构之间的相互作用，即在双头螺柱4’的三个维度上采用夹紧体包括第一夹紧体5’、第二夹紧体6’和第三夹紧体7’模拟双头螺柱4’和实际结构之间的相互作用；

S2：通过在模拟螺杆3’的梁单元中间位置设置预紧单元，并对螺杆3’梁单元施加预紧力，在夹紧体上施加外载和约束，分步加载求解；

S3：通过提取模拟螺杆3’梁单元截面上的力和应力结果，分析判断双头螺柱4’上的承载状态，完成连接结构强度评估。

本实施例通过保留夹紧体的三维属性，更能准确模拟实际结构之间的作用关系。用梁单元模拟螺杆3及螺纹连接，能够得到双头螺柱上各截面上各个应力分量结果。相对于无螺栓简化和实体建模，本实施例更能真实反映双头螺柱承载状态，解决负载外载工况下双头螺柱连接结构强度分析问题。

实施例四

在实施例三的基础上，螺杆3’的另一端采用螺母连接方式来替代与夹紧体的螺纹连接；对应地，将夹紧体的螺纹孔位置替换为第二螺母，其他建模方法、评估方法与实施例三步骤相同。

本发明的改进之处在于分段模拟高强螺栓全部特征，通过对螺栓头、夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模，对螺杆部分进行三维梁单元简化处理，螺杆部分根据光杆、螺纹杆、缩径等特征进行分段处理，并用梁单元连接螺纹杆与夹紧体的螺纹孔、用梁单元连接螺栓头位置的螺杆与螺栓头，从而模拟高强螺栓的全部特征；对螺栓头、夹紧体的螺纹孔位置的几何处理及网格均匀划分、螺杆部分分段模拟及螺纹啮合部位的连接处理为本发明的关键技术环节，是保证计算结果精度、确保本发明方法有效可行的核心。

本发明通过保留夹紧体的三维属性，更能准确模拟实际结构之间的作用关系。用梁单元模拟螺杆及螺纹连接，能够得到高强螺栓上各截面上各个应力分量结果。相对于无螺栓简化和实体建模，本发明更能真实反映螺栓承载状态，解决负载外载工况下螺栓连接结构强度分析问题。

本发明对连接结构采用三维实体模型并划分网格，用三维梁单元模拟螺杆，并对螺纹连接和螺栓头位置进行细化处理；能够得到螺栓连接结构仿真模型，并通过接触设置模拟夹紧体之间相互关系；用于分析螺栓受力和强度分析，通过计算分析可以得到螺栓不同截面上的不同应力分量，用于计算复杂外载工况下螺栓自身和连接结构强度。本发明结合实体模型与梁单元模型特点，对连接结构中的夹紧体采用三维实体建模，对螺栓及螺纹连接部分采用梁单元简化模拟，兼顾了结果精度与计算效率。

本发明可实现对螺栓连接结构进行快速有限元仿真分析。能够准确模拟在复杂工况作用下高强螺栓表面应力变化，确保设计安全。同时，相对传统有限元建模方法，该发明可大幅提高工作效率，能够保证研发进度和设计优化迭代，为风力发电机组整机设计技术不断进步提供技术保障。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高强螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，所述高强螺栓连接结构包括与高强螺栓等长的螺杆及位于螺杆一端的螺栓头，所述螺杆的另一端与夹紧体采用螺纹连接，所述有限元建模方法包括如下步骤：

1)对螺栓头和夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模：将所述螺栓头、夹紧体的螺纹孔位置进行切分和几何处理得到若干三维几何体，使其具备扫略生成均匀网格的条件；将所述三维几何体扫略生成均匀六面体网格；

2)用三维梁单元简化模拟螺杆部分：将所述螺杆部分简化成位于轴线位置且与高强螺栓等长的直线段,所述螺杆部分包括螺纹杆和光杆，根据螺纹杆、光杆的特征将螺杆部分进行分段处理，所述螺栓头及与其对应的部分螺杆、夹紧体的螺纹孔及与其对应的部分螺杆在轴线方向的单元个数一致，所述梁单元能够真实反映螺杆截面所承受的轴力和弯矩；

3)用梁单元连接所述螺纹杆与夹紧体的螺纹孔单元节点，模拟螺纹连接关系，通过控制连接单元数量，模拟螺纹连接在轴线方向和圆周方向上的均匀性和连续性；

用梁单元连接所述螺栓头位置的螺杆与螺栓头单元节点，通过控制连接单元在圆周方向的数量，模拟螺栓头接触面上压力的均匀性。

2.根据权利要求1所述的高强螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，所述螺杆的另一端采用螺母连接方式来替代与夹紧体的螺纹连接；对应地，夹紧体的螺纹孔位置替换为螺母。

3.根据权利要求1所述的高强螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，所述与高强螺栓等长的螺杆替换为与高强螺栓等长的双头螺柱，所述位于螺杆一端的螺栓头替换为位于双头螺柱一端的第一螺母。

4.根据权利要求3所述的高强螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，所述螺杆的另一端采用螺母连接方式来替代与夹紧体的螺纹连接；对应地，将夹紧体的螺纹孔位置替换为第二螺母。

5.根据权利要求1-4任一项所述的高强螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，所述步骤1)中，生成的均匀六面体网格沿螺栓轴线循环对称。

6.根据权利要求1-4任一项所述的高强螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述三维梁单元的每个节点有6个方向自由度。

7.根据权利要求1-4任一项所述的高强螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，所述步骤2)中的螺杆部分还包括缩径，根据螺纹杆、光杆、缩径的特征将螺杆部分进行分段处理。

8.根据权利要求1-4任一所述的高强螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，所述高强螺栓为风电机组领域的高强螺栓。

9.一种高强螺栓连接结构的强度评估方法，其特征在于，包括权利要求1至8任一所述的建模方法，还包括如下步骤：

S1：对夹紧体采用三维实体单元建模，在所述高强螺栓和夹紧体的每个接触面上设置接触单元模拟实际结构之间的相互作用；

S2：通过在模拟螺杆的梁单元中间位置设置预紧单元，并对螺杆梁单元施加预紧力，在所述夹紧体上施加外载和约束，分步加载求解；

S3：通过提取模拟螺杆梁单元截面上的力和应力结果，分析判断高强螺栓上的承载状态，完成连接结构强度评估。

10.根据权利要求9所述的高强螺栓连接结构的强度评估方法，其特征在于，所述高强螺栓为风电机组领域的高强螺栓。