CN108197418B - 一种模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的模拟螺纹配合表面几何特征的六面体有限元网格划分方法，首先根据螺纹表面与螺纹轴线的距离变化规律，确定单层螺纹横截面轮廓线，将螺纹的最小特征确定轴向有限元网格尺寸；然后根据单螺距内轴向划分的网格层数与相邻层之间的旋转角度关系确定周向有限元网格数量，通过螺栓螺纹端面四边形网格拉伸，形成单层六面体网格，对其进行复制、旋转、节点替代得到单螺距螺栓六面体网格模型；最后再根据公母螺纹齿数，对单螺距网格做复制、平移得到完整螺栓螺纹部分的六面体网格模型。因此，本发明的六面体有限元网格划分方法无须建立公母螺纹的实体三维模型，无须大量节点坐标计算。

Description

一种模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法
技术领域
本发明涉及有限元仿真技术领域，具体涉及模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法。
背景技术
螺纹连接是一种广泛使用的可拆卸的固定连接，具有结构简单、连接可靠、装拆方便等优点。
在车身和底盘连接形式(螺纹联接、焊接、铆接、胶粘等)中，最常见且应用最广泛的方式是螺纹联接，其联接性能的好坏直接影响整车的振动模态和安全性能。由于螺纹联接工作时的压紧力和摩擦力矩等物理量无法直接被测量，利用有限元仿真技术对其进行应力分析、疲劳分析，就成为研究车身-底盘系统联接件松动原理的必经之路。
现有技术中也有解决上述问题的技术方案，例如：1)将锥螺纹接头通过创建参考面与模型表面生成交线，划分六面体网格，但必须建立螺栓螺母的三维模型，网格质量和仿真精度受限于三维模型的准确程度；2)在有限元软件中对螺栓模型的关键几何尺寸进行参数化设定，但该方法较为复杂，坐标计算量大。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种无须建立实体螺纹三维模型的模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法。
本发明提供的模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，采集螺栓和螺母配合状态下一个螺距内螺纹轴向横切面中的结构尺寸；
步骤二，获取螺栓和螺母的径向截面中螺纹牙顶和螺纹牙底上所有点到螺纹轴线的距离的变化规律，然后根据结构尺寸和变化规律，通过CATIA或UG制图软件绘制螺栓与螺母配合时啮合端面上的螺栓外螺纹轮廓线、螺母内螺纹轮廓线、螺栓网格分界线以及螺母网格分界线，得到平面图形；
步骤三，将螺纹牙顶作为最小局部特征，根据最小局部特征确定网格的轴向尺寸l和单螺距内网格的层数N，根据层数N及周向网格节点的重合关系，确定螺栓外螺纹轮廓线上的节点数量n；
步骤四，通过CATIA或UG制图软件给平面图形添加一个轴向尺寸l，将平面图形导入有限元软件HYPERMESH，通过quick edit功能，使得螺栓网格分界线以外的椭圆环体被节点径向连接形成的n个面均分，从而得到网格实体；
步骤五，在有限元软件HYPERMESH中，通过automesh功能，根据所述节点将所述网格实体的端面自动划分二维平面四边形网格；
步骤六，在有限元软件HYPERMESH中，通过linear solid功能，将二维平面四边形网格轴向拉伸一个轴向尺寸l，生成所述端面上的一层六面体网格；
步骤七，在有限元软件HYPERMESH中，先通过translate功能，复制步骤六所述六面体网格中的螺栓网格分界线之外的六面体网格，并轴向平移所述轴向尺寸l，再通过rotate功能，将复制得到的所述螺栓网格分界线之外的六面体网格以螺栓的中心轴为轴心沿螺纹变化方向旋转一个网格层错角，然后复制步骤六所述六面体网格中的螺栓网格分界线以内的六面体网格并直接沿轴向平移轴向尺寸l，得到第二层六面体网格；
步骤八，在有限元软件HYPERMESH中，通过replace功能，替换步骤七螺纹啮合区域六面体网格中螺纹啮合表面上的使相邻两层六面体网格表面不连续的节点；
步骤九，在有限元软件HYPERMESH中，重复步骤七和步骤八，直到一个螺距内所有六面体网格全部生成；
步骤十，在有限元软件HYPERMESH中，根据公母螺纹齿数，利用软件translate功能，复制步骤六至步骤九中生成单螺距内六面体网格，轴向平移得到完整的螺纹啮合区域六面体网格；
步骤十一，在有限元软件HYPERMESH中，新建螺栓光杆网格平面以及螺帽网格平面，根据螺栓光杆网格以及螺帽网格的网格节点，将网格平面直接拉伸，再复制平移获得螺栓光杆六面体网格以及螺帽六面体网格；
步骤十二，根据螺纹周向的网格数量以及网格最小尺寸与网格最大尺寸的差值，确定过渡层数z，
步骤十三，将步骤六绘制的螺栓最外圈六面体网格轴向复制z层，每层中选取1个六面体网格，使每层选出的六面体网格大小均匀递减，将每层中比该层被选网格尺寸小的六面体网格全部删除，并用与该层被选网格规格相同的六面体网格补充这层中被删除的部分，然后替换掉网格过渡层的外表面上使相邻两层六面体网格表面不连续的节点；
步骤十四，从而得到完整的六面体网格模型和完整的螺栓螺母啮合六面体网格模型。在本发明提供的模拟螺纹配合表面几何特征的六面体有限元网格划分方法，还可以具有这样的特征：其中，结构尺寸包含至少螺纹牙顶数值以及螺距数值。
在本发明提供的模拟螺纹配合表面几何特征的六面体有限元网格划分方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中的螺栓外螺纹轮廓线根据螺栓的啮合端面至少取30个特征点拟合绘制得到；螺母内螺纹轮廓线根据螺母的啮合端面至少取30个特征点拟合绘制得到。
在本发明提供的模拟螺纹配合表面几何特征的六面体有限元网格划分方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中最小局部特征的网格数量根据需求模型的精度要求进行调整。
在本发明提供的模拟螺纹配合表面几何特征的六面体有限元网格划分方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中轴向尺寸l和单螺距内网格的层数N成倍数关系；螺栓外螺纹轮廓线上的节点数量n为单螺距内网格的层数N的至少4倍。
发明的作用与效果
本发明所涉及的模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法，首先根据螺纹表面与螺纹轴线的距离变化规律，确定单层螺纹横截面轮廓线，将螺纹的最小特征确定轴向有限元网格尺寸；然后根据单螺距内轴向划分的网格层数与相邻层之间的旋转角度关系确定周向有限元网格数量，通过螺栓螺纹端面四边形网格拉伸，形成单层六面体网格，对其进行复制、旋转、节点替代得到单螺距螺栓六面体网格模型；最后再根据公母螺纹齿数，对单螺距网格做复制、平移得到完整螺栓螺纹部分的六面体网格模型。因此，本发明的六面体有限元网格划分方法无须建立公母螺纹的实体三维模型，无须大量节点坐标计算，不但能改善螺纹网格划分质量，而且能提升仿真计算的精度和效率，可以广泛适用于各种类型的螺栓与螺母的螺纹的六面体网格划分。
附图说明
图1是本发明的实施例中的一个螺距内梯形螺纹轴向横切面中的结构尺寸的示意图；
图2是本发明的实施例中的梯形螺纹的径向截面中牙顶和牙底上点到螺纹轴线距离的变化规律的示意图；
图3是本发明的实施例中的螺栓外螺纹端面轮廓线、螺母内螺纹端面轮廓线、螺栓网格分界线以及螺母网格分界线的示意图；
图4是本发明的实施例中的螺栓网格分界线以外的椭圆环体被节点径向连接形成的64个面均分的示意图；
图5是本发明的实施例中的螺栓与螺母的啮合面上的平面四边形网格的示意图；
图6是本发明的实施例中在图5的平面四边形网格基础上生成的一层六面体网格的示意图；
图7是本发明的实施例中的由图6中螺栓分界线之外的第一层网格生成了第二层网格的示意图；
图8是本发明的实施例中的相邻二层六面体网格的示意图；
图9是本发明的实施例中的一个螺距内的螺栓外螺纹六面体网格的示意图；
图10是本发明的实施例中的一个螺距内的螺母内螺纹六面体网格的示意图；
图11是本发明的实施例中的生成的螺纹数目为8的螺栓螺纹部分六面体网格和螺纹数目为6的螺母六面体网格模型的示意图；
图12是本发明的实施例中的螺栓光杆过渡层设置的示意图；
图13是本发明的实施例中的生成的完整螺栓六面体网格模型的示意图；以及
图14是本发明的实施例中的生成的完整螺栓螺母啮合六面体网格模型的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明所涉及的一种模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法做进一步说明。
本实施例中的螺栓为M16×95、螺纹总数8圈、接触螺纹6圈以及螺距为2.0000mm的右旋螺栓，用有限元分析前处理软件Hypermesh，对本发明进行说明，其步骤如下：
图1是本发明的实施例中的一个螺距内梯形螺纹轴向横切面中的结构尺寸的示意图。
步骤一，采集螺栓和螺母配合状态下一个螺距内螺纹轴向横切面中的结构尺寸，如图1所示，在本实施例中，采集的结构尺寸包括以下：螺纹的公称直径为16.0000mm，即螺母内螺纹大径D、螺栓外螺纹大径d皆为16.0000mm；螺纹螺距P为2.0000mm；螺纹原始三角形高度H取1.7600mm；内螺纹的中径D2和外螺纹的中径d2皆取14.6800mm；内螺纹的小径D1和外螺纹的小径d1皆取13.8000mm，其中
Figure BDA0001596635320000071
螺纹牙顶为P/8；
图2是本发明的实施例中的梯形螺纹的径向截面中牙顶和牙底上点到螺纹轴线距离的变化规律的示意图；图3是本发明的实施例中的螺栓外螺纹端面轮廓线、螺母内螺纹端面轮廓线、螺栓网格分界线以及螺母网格分界线的示意图。
步骤二，如图2所示，在本实施例中，在梯形螺纹的径向截面中，牙顶和牙底上点到螺纹轴线的距离R和r大小不变，分别为16.0000mm和13.8000mm；齿斜面上的点到螺纹轴线的距离r′和r〞随其与初始位置的夹角大小呈线性变化，根据端面上螺纹轮廓线上各点与螺纹轴线的距离变化规律，在螺栓螺纹端面内，从初始位置起，分别在0～π/4内、7π/4～2π内以r为半径画圆弧；在7π/8～9π/8内以R为半径画圆弧；在π/4～7π/8内和9π/8～7π/4内各取15个特征角度，形成16个特征点(首尾两点已经在上述两段圆弧上)，每个特征点对应的半径长度从小到大按等差数列排列，首项和末项分别为r和R，如图3所示，通过CATIA制图软件以端面中心为圆心作圆，然后以这些对应半径绘制两段圆弧之间的28个轮廓特征点，依次连接这些特征点和圆弧，绘制出螺栓外螺纹端面轮廓线，同理，绘制出螺母内螺纹端面轮廓线(螺栓外螺纹端面轮廓线与螺母内螺纹端面轮廓线基本重合)，然后绘制螺栓网格分界线以及螺母网格分界线；
因截面上螺母的外形因素对计算影响较小，故将其六边形轮廓简化为圆形，为降低螺纹轮廓不规则对螺栓内部以及螺母外部网格节点重合的影响，分别取螺栓网格分界线半径为螺栓外轮廓最小半径减去一个理想单元最小径向尺寸，螺母网格分界线半径为螺母内轮廓最大半径加上一个理想单元最小径向尺寸(要求合理控制螺栓外螺纹最外层网格以及螺母内螺纹最内层网格中最大尺寸和最小尺寸，使二者大小关系不太悬殊)；
步骤三，将螺纹牙顶作为最小局部特征，根据最小局部特征确定网格的轴向尺寸l和单螺距内网格的层数N，根据层数N及周向网格节点的重合关系，确定螺栓外螺纹轮廓线上的节点数量n；
如图1所示，在本实施例中，牙顶的轴向距离为P/8；为清晰描述螺纹有限元模型的最小特征，该最小特征处至少应划分两个网格；同时，考虑到模型网格数量的增加会降低计算效率，因此本实施例只用两个网格描述该模型的最小特征，即本模型网格的轴向尺寸l为P/16。根据实际工程的需求，可以适当调整网格的轴向尺寸l，如表达最小特征处的网格取N个，则单螺距内应分成8N层网格，但同时应适当增加螺纹啮合面上的节点数量；
在本实施例中，在每个螺距内，由网格的轴向尺寸将模型划分为16层，其中第i+1层由第i层(1≤i≤15)以螺栓中心轴旋转π/8后沿轴线平移一个网格轴向尺寸l(即P/16)得来，为保证相邻层网格的节点重合，必须使螺纹啮合面上的节点数量为16的倍数；考虑到要在精确建模的前提下保证计算效率，因此本实施例中将螺纹啮合面上的节点数量n设定为64个；
图4是本发明的实施例中的螺栓网格分界线以外的椭圆环体被节点径向连接形成的64个面均分的示意图。
步骤四，如图4所示，在本实施例中，通过CATIA制图软件给平面图形添加一个轴向尺寸l(即P/16)，将平面图形100导入有限元软件HYPERMESH，通过quick edit功能，使得螺栓网格分界线以外的椭圆环体被节点径向连接形成的64个面均分，从而得到网格实体；
图5是本发明的实施例中的螺栓与螺母的啮合面上的平面四边形网格的示意图；
步骤五，如图5所示，在本实施例中，在有限元软件HYPERMESH中，通过automesh功能，根据节点将网格实体的端面自动划分二维平面四边形网格200；
图6是本发明的实施例中在图5的平面四边形网格基础上生成的一层六面体网格的示意图；
步骤六，如图6所示，在本实施例中，在有限元软件HYPERMESH中，通过linearsolid功能，将二维平面四边形网格轴向拉伸一个轴向尺寸l(即P/16)，生成端面上的一层六面体网格300；
图7是本发明的实施例中的由图6中螺栓分界线之外的第一层网格生成了第二层网格的示意图。
步骤七，如图7所示，在本实施例中，在有限元软件HYPERMESH中，先通过translate功能，复制步骤六所述六面体网格中的螺栓网格分界线之外的六面体网格，并轴向平移轴向尺寸l(即P/16)，再通过rotate功能，将复制得到的六面体网格以螺栓的中心轴为轴心沿螺纹变化方向旋转π/8(一个网格层错角)，得到第二层六面体网格400；
图8是本发明的实施例中的相邻二层六面体网格的示意图，图中a为相邻二层六面体网格的最外侧表面存在台阶，b为替换了相邻二层六面体网格上表面不连续节点后台阶被消除。
步骤八，在有限元软件HYPERMESH中，如图8所示，通过replace功能，替换螺纹啮合表面上的使相邻两层六面体网格表面不连续的节点，恢复螺纹啮合面的几何特征，确保公母螺纹啮合面处网格节点对齐；
图9是本发明的实施例中的一个螺距内的螺栓外螺纹六面体网格的示意图，图10是本发明的实施例中的一个螺距内的螺母内螺纹六面体网格的示意图。
步骤九，在有限元软件HYPERMESH中，如图9和图10所示，重复步骤七至步骤八，直到一个螺距内所有16层的螺栓外螺纹六面体网格500和一个螺距内所有16层的螺母内螺纹六面体网格600分别全部生成；
图11是本发明的实施例中的生成的螺纹数目为8的螺栓螺纹部分六面体网格和螺纹数目为6的螺母六面体网格模型的示意图。
步骤十，在有限元软件HYPERMESH中，如图11所示，根据螺纹数目为8，螺纹数目为6，利用软件translate功能，复制步骤七至步骤九中生成单螺距内六面体网格，轴向平移得到完整的螺纹啮合区域六面体网格，沿轴向生成螺纹数目为8的螺栓有限元模型螺纹部分和螺纹数目为6的螺母有限元模型700；
步骤十一，在有限元软件HYPERMESH中，新建螺栓光杆网格平面以及螺帽网格平面，根据螺栓光杆网格以及螺帽网格的网格节点，将网格平面直接拉伸，再复制、平移获得螺栓光杆六面体网格以及螺帽六面体网格；
步骤十二，根据螺纹周向的网格数量以及网格最小尺寸与网格最大尺寸的差值，确定过渡层数，在本实施例中，在螺纹部分网格与光杆网格之间设置4层过渡层；
图12是本发明的实施例中的螺栓光杆过渡层设置的示意图，图中a为螺栓最外圈六面体网格轴向复制4层，并将每层中比该层被选网格尺寸小的六面体网格全部删除；b为用与该层被选网格规格相同的六面体网格补充这层中被删除的部分，然后替换掉其中相邻层六面体网格上外表面不连续节点后台阶被消除。
步骤十三，如图12所示，将步骤六绘制的螺栓最外圈六面体网格轴向复制4层，每层中选取1个六面体网格，使每层选出的六面体网格大小均匀递减，将每层中比该层被选网格尺寸小的六面体网格全部删除，并用与该层被选网格规格相同的六面体网格补充这层中被删除的部分，然后替换掉网格过渡层的外表面上使相邻两层六面体网格表面不连续的节点；
图13是本发明的实施例中的生成的完整螺栓六面体网格模型的示意图，图14是本发明的实施例中的生成的完整螺栓螺母啮合六面体网格模型的示意图。
步骤十四，如图13和图14所示，从而得到完整的螺栓六面体网格模型800和完整的螺栓螺母啮合六面体网格模型900。
实施例的有益作用与效果
本发明所涉及的模拟螺纹配合表面几何特征的六面体有限元网格划分方法，首先根据螺纹表面与螺纹轴线的距离变化规律，确定单层螺纹横截面轮廓线，将螺纹的最小特征确定轴向有限元网格尺寸；然后根据单螺距内轴向划分的网格层数与相邻层之间的旋转角度关系确定周向有限元网格数量，通过螺栓螺纹端面四边形网格拉伸，形成单层六面体网格，对其进行复制、旋转、节点替代得到单螺距螺栓六面体网格模型；最后再根据公母螺纹齿数，对单螺距网格做复制、平移得到完整螺栓螺纹部分的六面体网格模型。因此，本发明的六面体有限元网格划分方法无须建立公母螺纹的实体三维模型，无须大量节点坐标计算，不但能改善螺纹网格划分质量，而且能提升仿真计算的精度和效率，可以广泛适用于各种类型的螺栓与螺母的螺纹的六面体网格划分。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，采集螺栓和螺母配合状态下一个螺距内螺纹轴向横切面中的结构尺寸；
步骤二，获取所述螺栓和所述螺母的径向截面中螺纹牙顶和螺纹牙底上所有点到螺纹轴线的距离的变化规律，然后根据所述结构尺寸和所述变化规律，通过CATIA或UG制图软件绘制所述螺栓与所述螺母配合时啮合端面上的螺栓外螺纹轮廓线、螺母内螺纹轮廓线、螺栓网格分界线以及螺母网格分界线，得到平面图形；
步骤三，将所述螺纹牙顶作为最小局部特征，根据所述最小局部特征确定网格的轴向尺寸l和单螺距内网格的层数N，根据所述层数N及周向网格节点的重合关系，确定所述螺栓外螺纹轮廓线上的节点数量n；
步骤四，通过CATIA或UG制图软件给所述平面图形添加一个所述轴向尺寸l，将所述平面图形导入有限元软件HYPERMESH，通过quick edit功能，使得所述螺栓网格分界线以外的椭圆环体被节点径向连接形成的n个面均分，从而得到网格实体；
步骤五，在有限元软件HYPERMESH中，通过automesh功能，根据所述节点将所述网格实体的端面自动划分二维平面四边形网格；
步骤六，在有限元软件HYPERMESH中，通过linear solid功能，将所述二维平面四边形网格轴向拉伸一个所述轴向尺寸l，生成所述端面上的一层六面体网格；
步骤七，在有限元软件HYPERMESH中，先通过translate功能，复制步骤六所述六面体网格中的螺栓网格分界线之外的六面体网格，并轴向平移所述轴向尺寸l，再通过rotate功能，将复制得到的所述螺栓网格分界线之外的六面体网格以螺栓的中心轴为轴心沿螺纹变化方向旋转一个网格层错角，然后复制步骤六所述六面体网格中的螺栓网格分界线以内的六面体网格并直接沿轴向平移所述轴向尺寸l，得到第二层六面体网格；
步骤八，在有限元软件HYPERMESH中，通过replace功能，替换步骤七螺纹啮合区域六面体网格中螺纹啮合表面上的使相邻两层六面体网格表面不连续的节点；
步骤九，在有限元软件HYPERMESH中，重复步骤七和步骤八，直到一个螺距内所有六面体网格全部生成；
步骤十，在有限元软件HYPERMESH中，根据公母螺纹齿数，利用软件translate功能，复制步骤六至步骤九中生成单螺距内六面体网格，轴向平移得到完整的螺纹啮合区域六面体网格；
步骤十一，在有限元软件HYPERMESH中，新建螺栓光杆网格平面以及螺帽网格平面，根据所述螺栓光杆网格以及所述螺帽网格的网格节点，将网格平面直接拉伸，再复制平移获得螺栓光杆六面体网格以及螺帽六面体网格；
步骤十二，根据螺纹周向的网格数量以及网格最小尺寸与网格最大尺寸的差值，确定过渡层数z；
步骤十三，将步骤六绘制的螺栓最外圈六面体网格轴向复制z层，每层中选取1个六面体网格，使每层选出的六面体网格大小均匀递减，将每层中比该层被选网格尺寸小的六面体网格全部删除，并用与该层被选网格规格相同的六面体网格补充这层中被删除的部分，然后替换掉网格过渡层的外表面上使相邻两层六面体网格表面不连续的节点；
步骤十四，从而得到完整的螺栓六面体网格模型和完整的螺栓螺母啮合六面体网格模型。
2.如权利要求1所述的一种模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法，其特征在于：
其中，所述结构尺寸包含至少螺纹牙顶数值以及螺距数值。
3.如权利要求1所述的一种模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法，其特征在于：
其中，步骤二中的所述螺栓外螺纹轮廓线根据所述螺栓的啮合端面至少取30个特征点拟合绘制得到；
所述螺母内螺纹轮廓线根据所述螺母的啮合端面至少取30个特征点拟合绘制得到。
4.如权利要求1所述的一种模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法，其特征在于：
其中，步骤三中所述最小局部特征的网格数量根据需求模型的精度要求进行调整。
5.如权利要求1所述的一种模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法，其特征在于：
其中，步骤三中所述轴向尺寸l和所述单螺距内网格的层数N成倍数关系；
所述螺栓外螺纹轮廓线上的节点数量n为所述单螺距内网格的层数N的至少4倍。
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