CN108090260B - 一种接头约束载荷的分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种接头约束载荷的分析方法。所述接头约束载荷的分析方法包括如下步骤：步骤1：建立接头及其周边结构的有限元模型；步骤2：模型装配，其中，在装配时需把所有存在接触的面之间施加空间上的位置约束，使面与面之间不存在间隙；步骤3：创建分析步，生成边界条件及加载条件；步骤4：边界及接触定义，实时模拟接触状态；步骤5：进行计算，从而获取接头约束载荷。本申请的接头约束载荷的分析方法对接头及其周边结构(包括螺栓)一起建模，相对于现有技术仅对接头本身建模二忽略周边结构对接头的支撑刚度而言，具有计算结果更为准确的优点。采用本申请的接头约束载荷的分析方法可获得更准确的接头应力和约束载荷。

Description

一种接头约束载荷的分析方法
技术领域
本发明涉及直升机接头技术领域，特别是涉及一种接头约束载荷的分析方法。
背景技术
直升机是由各个系统(如传动系统、操纵系统等)组成的复杂旋翼飞行器，而接头则是各个系统与直升机机体结构连接的桥梁。接头的设计非常关键，接头设计得太弱会影响直升机的飞行着陆安全，设计得太强则会造成重量上不必要的浪费。对于直升机这种旋翼飞行器来说，每一克的重量都是至关重要的。要准确分析接头的强度，首先要准确分析接头的约束载荷，而这是比较困难的，这也是为什么我们在计算接头强度时要取接头附加安全系数的原因。
传统的接头强度分析一般是在接头与机体结构连接的螺栓处创建RBE2刚体元(代替螺栓)，并在刚体元的中心施加XYZ三个方向的平动约束，以此来计算接头约束载荷及接头本身的强度。但是此种方法的缺陷就是在刚体元中心处施加的约束为0，导致约束刚度过大，产生不真实的对拉载荷，而且这种对拉载荷量级很大，最终的结果就是计算出的接头约束载荷比真实的载荷偏大，进而导致接头和机体结构的应力水平偏高。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种接头约束载荷的分析方法来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种接头约束载荷的分析方法，所述接头约束载荷的分析方法包括如下步骤：
步骤1：建立接头及其周边结构的有限元模型；
步骤2：模型装配，其中，在装配时需把所有存在接触的面之间施加空间上的位置约束，使面与面之间不存在间隙；
步骤3：创建分析步，生成边界条件及加载条件；
步骤4：边界及接触定义，实时模拟接触状态；
步骤5：进行计算，从而获取接头约束载荷。
优选地，所述步骤1中，对接头及其周边结构同时建模。
优选地，所述步骤3中采用的是非线性计算，初始增量步和最大增量步的值分别为0.01和0.1。
优选地，所述步骤4中，载荷作用在接头的耳孔中心，约束平板四条边的3个平动自由度。
本申请的接头约束载荷的分析方法对接头及其周边结构(包括螺栓)一起建模，相对于现有技术仅对接头本身建模二忽略周边结构对接头的支撑刚度而言，具有计算结果更为准确的优点。采用本申请的接头约束载荷的分析方法可获得更准确的接头应力和约束载荷，可在接头强度计算时不需考虑接头附加安全系数，有效的控制了整个机体结构的重量。
附图说明
图1是本申请第一实施例的接头约束载荷的分析方法的流程示意图。
图2是图1所示的接头约束载荷的分析方法的接头模型示意图。
图3是图1所述的接头约束载荷的分析方法中步骤3中一个增量步中的首次迭代的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
图1是本申请第一实施例的接头约束载荷的分析方法的流程示意图。图2是图1所述的接头约束载荷的分析方法中步骤3中一个增量步中的首次迭代的示意图。
如图1所示的接头约束载荷的分析方法包括如下步骤：
步骤1：建立接头及其周边结构的有限元模型；
步骤2：模型装配，其中，在装配时需把所有存在接触的面之间施加空间上的位置约束，使面与面之间不存在间隙；
步骤3：创建分析步，生成边界条件及加载条件；
步骤4：边界及接触定义，实时模拟接触状态；
步骤5：进行计算，从而获取接头约束载荷。
本申请的接头约束载荷的分析方法对接头及其周边结构(包括螺栓)一起建模，相对于现有技术仅对接头本身建模二忽略周边结构对接头的支撑刚度而言，具有计算结果更为准确的优点。采用本申请的接头约束载荷的分析方法可获得更准确的接头应力和约束载荷，可在接头强度计算时不需考虑接头附加安全系数，有效的控制了整个机体结构的重量。
在本实施例中，所述步骤1中，对接头及其周边结构同时建模。
在本实施例中，步骤3中采用的是非线性计算，初始增量步和最大增量步的值分别为0.01和0.1。
在本实施例中，步骤4中，载荷作用在接头的耳孔中心，约束平板四条边的3个平动自由度。
下面以举例的方式对本申请进行进一步阐述。可以理解的是，该举例并不构成对本申请的任何限制。
步骤1：建立接头及其周边结构的有限元模型：
传统的接头强度计算时，往往只建立接头本身的有限元模型，而直接用刚性约束代替其周边结构:这样做缺点是很明显的，由于忽略周边结构对接头的支撑刚度，使得计算出的接头约束载荷偏大。
本申请对接头及其周边结构(包括螺栓)同时建模。以下以一个普通接头连接在一块平板上作为例子进行说明，如图1所示。为了提高计算精度，所有结构均使用六面体单元划分网格。
步骤2：模型装配：
为了第4步中接触对的准确定义，在装配时需把所有存在接触的面之间施加空间上的位置约束，使面与面之间不存在间隙，否则后期计算时在搜索接触对时很容易出错，导致最终计算的不收敛。
步骤3：创建分析步，生成边界条件及加载条件：
在创建分析步时有两个数据需要特别注意，就是初始增量步(initial incrementsize，默认值0.1)和最大增量步(maximum increment size，默认值1)的定义。通常情况下采用默认值都会导致最终计算的不收敛。本发明采用的是非线性计算，在非线性计算时，载荷是分步骤加载到模型上去的，因此增量步的设定非常关键。
Abaqus对于非线性计算的收敛判定准则如下：
对于一个小的载荷增量ΔP，结构的非线性响应如图2所示。Abaqus应用基于结构初始构型u0的结构初始刚度K0和ΔP计算关于结构的位移修正值ca，利用ca将结构的构型更新为ua。
在更新后的构型中，Abaqus基于结构的更新构型ua形成了新的刚度Ka，进而计算出新的内部作用力Ia。可以计算所施加的总载荷P和Ia之间的差为：
Ra＝P-Ia
其中Ra是迭代的残差力。
如果满足以下两个判定条件，Abaqus就认为结构在此载荷增量下的解是收敛的。
1)、Ra<整个时间段上作用于结构上的平均力的0.5％
2)、ca<总的增量位移(Δua＝ua-u0)的1％。
初始增量步或最大增量步定义的过大，都会导致最终计算的不收敛。经过反复摸索，本发明所采用的初始增量步和最大增量步的值分别为0.01和0.1。
4、边界及接触定义：
载荷作用在接头的耳孔中心，约束平板四条边的3个平动自由度。
关于接触的定义：在这个模型中，所涉及的接触对比较多，比如接头与平板的接触、螺栓头与接头的接触、螺母与平板的接触、螺栓光杆与接头的接触。如此多的接触对如果每个都去定义，不仅费时费力，而且容易出错。本发明使用Abaqus中的自动搜索接触对的功能，即在定义接触属性时，在included surface pairs中选择All*with self。尽管接触对搜索会消耗较多CPU时间，但对发生接触的位置的判断是实时的，可以对接触状态更准确的模拟。
步骤5：进行计算，从而获取接头约束载荷。在定义完以上参数之后即可提交计算，最终计算结果与真实载荷有较高符合性。
直升机上接头众多，采用本申请的接头约束载荷的分析方法分析接头可获得更准确的接头应力和约束载荷，使用本发明方法可在接头强度计算时不需考虑接头附加安全系数，有效的控制了整个机体结构的重量。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种接头约束载荷的分析方法，其特征在于，所述接头约束载荷的分析方法包括如下步骤：
步骤1：建立直升机接头及其周边结构的有限元模型；
步骤2：模型装配，其中，在装配时需把所有存在接触的面之间施加空间上的位置约束，使面与面之间不存在间隙；
步骤3：创建分析步，生成边界条件及加载条件；
步骤4：边界及接触定义，实时模拟接触状态；
步骤5：进行计算，从而获取直升机接头约束载荷；
所述步骤1中，对直升机接头及其周边结构同时建模；
所述步骤3中采用的是非线性计算，初始增量步和最大增量步的值分别为0.01和0.1。
2.如权利要求1所述的接头约束载荷的分析方法，其特征在于，所述步骤4中，载荷作用在直升机接头的耳孔中心，约束平板四条边的3个平动自由度。
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