CN108170942A - 一种螺栓连接结构的有限元建模系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种螺栓连接结构的有限元建模系统及方法，包括：CAD模型处理模块、有限元网格划分模块、接触模型创建模块、螺栓单元创建模块、刚性单元创建模块、预紧单元创建模块。相较于现有技术，本发明提供的系统和方法具有广泛的适用性，在保留了关键细节的同时，提高了建模和计算效率，解决了详细建模过程繁琐且计算量较大的问题，以及简化建模存在较大误差的问题。

Description

一种螺栓连接结构的有限元建模系统及方法
技术领域
本发明涉及有限元建模。更具体地，涉及一种螺栓连接结构的有限元建模系统及方法。
背景技术
螺栓连接结构是利用螺纹零件构成的可拆连接，过去的有限元建模方法为详细建模或简化建模，即采用实体单元构造详细的螺栓连接模型，或采用实体、板壳和刚性单元建立简化的螺栓连接模型。详细建模的主要步骤为：对被连接件和螺栓划分实体单元；在各零件接触面添加面-面接触模型；在螺杆横截面插入预紧力单元。这种建模过程繁琐，且计算量较大，不利于处理复杂问题。简化建模的主要步骤为：对被连接件划分实体单元或板壳单元；采用刚性单元模拟螺柱；采用刚性单元连接螺柱的两端与被连接件。这种简化的模型不能模拟螺栓预紧和零件之间的接触行为，其模拟结果存在较大的误差。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明的一个方面提供了一种螺栓连接结构的有限元建模系统，其特征在于，包括：
CAD模型处理模块、有限元网格划分模块、接触模型创建模块、螺栓单元创建模块、刚性单元创建模块、预紧单元创建模块；
所述CAD模型处理模块简化实际的螺栓连接结构；所述有限元网格划分模块根据简化模型生成实体网格；所述接触模型创建模块根据实体网格创建多对接触对；所述螺栓单元创建模块创建梁单元；所述刚性单元创建模块用于创建刚性单元；所述预紧单元创建模块用于创建预紧单元。
优选地，所述CAD模型处理模块将具体的螺栓连接结构简化为第一法兰、第二法兰、第一垫圈、第二垫圈，所述具体的螺栓连接结构还包括螺柱、螺头和螺母。
优选地，所述有限元网格划分模块采用实体单元对所述简化后的螺栓连接结构分别划分网格，并使螺栓连接结构在接触面上不共享网格节点。
优选地，所述接触模型创建模块创建3对接触对，分别位于第一法兰与第一垫圈的接触面、第一法兰与第二法兰的接触面、第二法兰与第二垫圈的接触面。
优选地，螺栓单元创建模块利用节点创建梁单元，模拟螺柱；
所述螺栓单元包括两个不共享网格的独立梁单元，每个梁单元包括两个节点。
优选地，第一梁单元的上端节点位于第一垫圈的上表面的圆心处，下端节点位于第一法兰的螺栓孔的下端圆心处；第二梁单元的上端点与梁单元的下端节点位置重合，下端节点位于第二垫圈的下表面的圆心处。
优选地，所述刚性单元创建模块创建两组刚性单元，分别模拟螺头连接和螺母连接。
优选地，所述预紧单元由三个节点组成，第一节点设置为第一梁单元的下端节点，第二节点设置为第二梁单元的上端节点，第三节点设置为任意位置的独立节点。
本发明提供一种螺栓连接结构的有限元建模的方法，包括：简化实际的螺栓连接结构；根据简化模型生成实体网格；根据实体网格创建多对接触对；根据简化模型创建梁单元；根据梁单元创建刚性单元；根据梁单元创建预紧单元。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种螺栓连接结构的有限元建模系统及方法，该方法采用实体单元对法兰和垫圈进行网格划分，在接触面创建接触对，采用梁单元模拟螺柱，利用刚性单元模拟螺头连接和螺母连接，使用预紧单元模拟螺栓预紧力。相较于现有技术，本发明提供的系统和方法具有广泛的适用性，在保留了关键细节的同时，提高了建模和计算效率，解决了详细建模过程繁琐且计算量较大的问题，以及简化建模存在较大误差的问题。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明实施方式中一种螺栓连接结构的有限元建模系统示意图。
图2示出本发明实施方式中一种螺栓连接结构的有限元建模方法流程图。
图3示出本发明实施方式中一种螺栓连接结构三维剖视图。
图4示出本发明实施方式中一种螺栓连接结构的简化CAD模型剖视图。
图5示出本发明实施方式中一种螺栓连接结构的简化CAD模型有限元网格剖视图。
图6示出本发明实施方式中一种螺栓连接结构的接触对剖视图。
图7示出本发明实施方式中一种螺栓连接结构的螺栓单元剖视图。
图8示出本发明实施方式中一种螺栓连接结构的刚性单元剖视图。
图9示出本发明实施方式中一种螺栓连接结构的预紧单元剖视图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种截面图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及他们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本发明的第一方面中，提供一种螺栓连接结构的有限元建模系统，如图1所示，包括：
CAD模型处理模块,1、有限元网格划分模块2、接触模型创建模块3、螺栓单元创建模块4、刚性单元创建模块5、预紧单元创建模块6；
所述CAD模型处理模块1简化实际的螺栓连接结构；所述有限元网格划分模块2根据简化模型生成实体网格；所述接触模型创建模块3根据实体网格创建多对接触对；所述螺栓单元创建模块4创建梁单元；所述刚性单元创建模块5用于创建刚性单元；所述预紧单元创建模块6用于创建预紧单元。
此外，在本发明第二方面中，提供一种螺栓连接结构的有限元建模方法，如图2，包括：
S1：搭建如上所述系统；
所述系统包括CAD模型处理模块、有限元网格划分模块、接触模型创建模块、螺栓单元创建模块、刚性单元创建模块、预紧单元创建模块；
S2：简化实际的螺栓连接结构；
S3：根据简化模型生成实体网格；
S4：根据实体网格创建多对接触对；
S5：创建梁单元；
S6：创建刚性单元；
S7：创建预紧单元。
本发明提一供种螺栓连接结构的有限元建模系统及方法，该方法采用实体单元对法兰和垫圈进行网格划分，在接触面创建接触对，采用梁单元模拟螺柱，利用刚性单元模拟螺头连接和螺母连接，使用预紧单元模拟螺栓预紧力。相较于现有技术，本发明提供的系统和方法具有广泛的适用性，在保留了关键细节的同时，提高了建模和计算效率，解决了详细建模过程繁琐且计算量较大的问题，以及简化建模存在较大误差的问题。
当然，更具体的，在执行上述模块的步骤包括：
S21：所述CAD模型处理模块简化CAD模型；
如图3和图4所示实际的螺栓连接结构，具体包括第一法兰11、第二法兰12、第一垫圈21、第二垫圈22、螺柱31、螺头32、螺母33构成，通过拧紧螺母33对螺栓施加预紧力，从而夹紧法兰。CAD模型处理模块将螺栓连接结构简化为第一法兰11、第二法兰12、第一垫圈21、第二垫圈22，删除螺柱31、螺头32、螺母33。
S22：所述有限元网格划分模块划分网格。
如图5所示，根据简化的CAD模型，有限元网格划分模块采用实体单元对第一法兰11、第二法兰12、第一垫圈21、第二垫圈22分别划分网格。第一法兰11、第二法兰12、第一垫圈21、第二垫圈22的有限元网格各自独立，在接触面不共享网格节点。
S23：接触模型创建模块创建接触模型。
如图6所示，根据生成的实体网格，接触模型创建模块创建3对接触对，分别位于第一法兰11与第一垫圈21的接触面、第一法兰11与第二法兰12的接触面、第二法兰12与第二垫圈22的接触面。
S24：螺栓单元创建模块创建螺栓模型。
如图7所示，根据简化的CAD模型，并不包含螺栓的几何模型，螺栓单元创建模块直接利用节点创建梁单元，模拟螺柱31。螺栓单元由两个不共享网格的独立梁单元组成，每个梁单元由两个节点组成。第一梁单元的上端节点位于第一垫圈21的上表面的圆心处，下端节点位于第一法兰11的螺栓孔的下端圆心处。第二梁单元的上端点与梁单元1的下端节点位置重合，下端节点位于第二垫圈22的下表面的圆心处。
S25：刚性单元创建模块创建刚性单元。
如图8所示，依据生成的实体网格和梁单元网格，刚性单元创建模块创建两组刚性单元，分别模拟螺头32连接和螺母33连接。每组刚性单元由一个主节点和若干从节点组成。对于模拟螺母33连接的刚性单元，主节点设置为梁单元1的上端节点，若干从节点设置为第一垫圈21的上表面与螺母33接触的所有节点。对于模拟螺头32连接的刚性单元，主节点设置为梁单元2的下端节点，若干从节点设置为第二垫圈22的下表面与螺头32接触的所有节点。
S26：预紧单元创建模块创建预紧单元。
如图9所示，依据生成的两个梁单元，预紧单元创建模块创建一个预紧单元。预紧单元由3个节点组成，节点1设置为梁单元1的下端节点，节点2设置为梁单元2的上端节点，节点3设置为任意位置的独立节点。至此，完成螺栓连接结构的有限元建模。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种螺栓连接结构的有限元建模系统，其特征在于，包括：
CAD模型处理模块、有限元网格划分模块、接触模型创建模块、螺栓单元创建模块、刚性单元创建模块、预紧单元创建模块；
所述CAD模型处理模块简化实际的螺栓连接结构；所述有限元网格划分模块根据简化模型生成实体网格；所述接触模型创建模块根据实体网格创建多对接触对；所述螺栓单元创建模块创建梁单元；所述刚性单元创建模块用于创建刚性单元；所述预紧单元创建模块用于创建预紧单元。
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述CAD模型处理模块将具体的螺栓连接结构简化为第一法兰、第二法兰、第一垫圈、第二垫圈，所述具体的螺栓连接结构还包括螺柱、螺头和螺母。
3.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述有限元网格划分模块采用实体单元对所述简化后的螺栓连接结构分别划分网格，并使螺栓连接结构在接触面上不共享网格节点。
4.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述接触模型创建模块创建3对接触对，分别位于第一法兰与第一垫圈的接触面、第一法兰与第二法兰的接触面、第二法兰与第二垫圈的接触面。
5.根据权利要求3所述系统，其特征在于，螺栓单元创建模块利用节点创建梁单元，模拟螺柱；
所述螺栓单元包括两个不共享网格的独立梁单元，每个梁单元包括两个节点。
6.根据权利要求5所述系统，其特征在于，第一梁单元的上端节点位于第一垫圈的上表面的圆心处，下端节点位于第一法兰的螺栓孔的下端圆心处；第二梁单元的上端点与梁单元的下端节点位置重合，下端节点位于第二垫圈的下表面的圆心处。
7.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述刚性单元创建模块创建两组刚性单元，分别模拟螺头连接和螺母连接。
8.根据权利要求5所述系统，其特征在于，所述预紧单元由三个节点组成，第一节点设置为第一梁单元的下端节点，第二节点设置为第二梁单元的上端节点，第三节点设置为任意位置的独立节点。
9.一种如权利要求1-8任一项所述方法，其特征在于，包括：
简化实际的螺栓连接结构；
根据简化模型生成实体网格；
根据实体网格创建多对接触对；
根据简化模型创建梁单元；
根据梁单元创建刚性单元；
根据梁单元创建预紧单元。
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