CN109388868A - 一种考虑钉孔接触及钉弯曲的钉载计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种考虑钉孔接触及钉弯曲的钉载计算方法，可用于航天航空、机械设计制造领域。目前确定钉载的主要方法有试验测量和利用有限元方法进行钉载计算，前者耗时长，需要大量准备工作以及设备，后者对硬件要求更高，且接触分析对网格要求高，计算不易收敛，耗时很长等特点，在实际工程中往往不易实现。为解决现有技术的不足，本发明提出一种考虑钉孔接触特性以及钉弯曲的钉载计算方法。在充分利用现有二维模型解决方法的基础上，通过引入离散刚体接触面并定义节点自由度约束关系实现考虑钉孔接触特性以及连接钉弯曲的钉载计算方法。使工程计算中能更快速得到相对准确的钉载分配结果，提高了计算效率。
Description
技术领域
本发明提供了一种考虑钉孔接触及钉弯曲的钉载计算方法，可用于航天航空、机械设计制造领域。
背景技术
目前确定钉载的主要方法有两种。一种为试验测量。在使用该方法时，由于受材料性能分散性、环境、试验手段等因素影响，往往需要设置多组试验件才能得到相对准确的测量结果，其耗时长，需要大量准备工作以及设备，尤其对于大尺寸连接试验，成本高，不易实现；另一种方法即利用有限元方法进行钉载计算，尤其在结构初步设计阶段，该方法被大量使用。
对于利用有限元方法进行机械连接仿真计算钉载分配，主要有三种方法：1)建立二维板壳单元模拟连接件，使用梁单元、杆单元或者fastener单元模拟连接钉。该方法建模速度快、计算周期短，但该方法无法模拟实际连接中的钉孔接触、配合间隙、摩擦力等的影响，其结果只能作为初步设计的依据；2)在1)方法的基础上，利用间隙元模拟钉孔配合间隙、接触的影响。但由于其在多钉或者大规模钉组分析中，钉载分配复杂，无法确定实际接触面，所以建模阶段需要对每个连接钉的整个圆周上设置间隙元，计算规模太大，不易建模，耗时多。一般仅用于钉孔细节分析中；3)利用三维有限元单元建立实体模型进行计算。该方法几乎可模拟接触、装配间隙、预紧力等几乎所有机械连接特性，但由于实体模型规模很大，对硬件要求更高，且接触分析对网格要求高，计算不易收敛，耗时很长等特点，在实际工程中往往不易实现。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种考虑钉孔接触特性以及钉弯曲的钉载计算方法。在充分利用现有二维模型解决方法的基础上，通过引入离散刚体接触面并定义节点自由度约束关系实现考虑钉孔接触特性以及连接钉弯曲的钉载计算方法。使工程计算中能更快速得到相对准确的钉载分配结果，提高了计算效率。
本发明考虑钉孔接触以及钉弯曲的钉载计算方法，用于对两个或多个连接板的钉载通过有限元计算获得，该方法将连接钉划分为被连接板中位面和连接板之间的中间平面打断的若干子线段，且每个被打断的子线段被划分为包括两个梁单元的网格；在连接板钉孔位置建立若干离散的圆柱刚性面，尺寸与钉孔一致，其中心为参考点，圆柱刚性面的参考点与线段在中位面的打断处节点重合，且两者在6个自由度进行耦合；并以线段在中位面的打断处节点作为控制节点，与对应的钉孔节点在轴向及周向的自由度进行耦合。
所述的连接板中位面为连接板的几何中位面。
对较大尺寸的连接板，选取部分区域参与计算。
将连接钉划分为若干子线段的步骤中，以最外侧的两个中位面之间的钉孔圆心连线建立线段，并将线段在中位面以及各连接板的中间平面打断，从而获得子线段。
所述对应的钉孔节点选取方法为：以钉孔中心为圆心，以钉孔为内环、以2倍的钉孔半径作外环划定中位面上的圆环区域，内环节点即为对应的钉孔节点。
将圆环区域以4节点板单元划分网格，在中位面的其他区域以板单元划分自由网格，后者的网格密度小于前者的网格密度；为圆柱刚性面以四节点划分网格。
有限元计算之前，按装配关系将连接板、连接钉、圆柱刚性面进行装配，在圆柱刚性面与钉孔内环节点之间建立接触关系，在接触属性中设置接触面摩擦系数、钉孔装配关系。
在建好的模型中，将约束端试件对应位置施加边界约束条件，在加载端施加对应载荷。
有限元计算时，若接触面出现穿透，则将初始增量步减小。
有限元计算完成后，提取刚性面与孔壁接触力或者对应位置梁单元节点力即为钉载。
有益效果：本发明提出考虑钉孔接触及钉弯曲的钉载计算方法，通过二维板单元、梁元、离散刚体的综合使用，实现了在二维模型仿真中考虑钉孔接触、摩擦力以及装配过盈的钉载分配计算方法。
充分挖掘了二维有限元模型的可能性。可操作性、应用性强，在实现同等目标前提下，建模更为简便，计算时间较短，提高了计算效率。本方法通过二维板单元、梁元、离散刚体的综合使用，并通过节点自由度约束耦合的方法模拟机械连接的方法较新颖，在不引入复杂三维模型条件下，得到了更为精确的钉载结果。
附图说明
图1是装配完成后的模型示意图；
图2是圆柱刚性面的几何外形；
图3是钉孔周围的局部细化网格。
具体实施方式
将此方法应用于复合材料与金属板双面对接机械连接分析中，分析内容为钉载计算，连接形式为单排连接，每排三个连接钉。进行对接的两个板为复合材料，上下盖板为金属材料。以下步骤基于有限元软件ABAQUS。
步骤1：按照复合材料与金属连接板几何尺寸，保留其钉孔的几何特征，取其中位面。
步骤2：以最外侧的两个中位面之间的钉孔圆心连线建立线段，并将线段在中位面以及各连接板的中间平面打断，从而获得子线段。
步骤3：建立离散的圆柱刚性面，尺寸与钉孔一致，其中心为参考点。
步骤4：在中位面钉孔处，以钉孔中心为圆心，以钉孔为内环、以2倍的钉孔半径作外环划定中位面上的圆环区域。
步骤5：定义材料属性。将圆环区域以4节点板单元划分网格，单元类型为S4R，在中位面的其他区域以板单元划分自由网格，单元类型为S4R或S3R，后者的网格密度小于前者的网格密度；将每个被打断的子线段划分为包括两个梁元的网格，并赋予梁元属性,单元类型为B31。
步骤6：按装配关系将连接板、连接钉、圆柱刚性面进行装配，将圆柱刚性面的参考点与线段在中位面的打断处节点重合。
步骤7：在interaction模块中，使用coupling命令将圆柱刚性面的参考点与线段在中位面的打断处节点的6个自由度进行耦合。
步骤8：在interaction模块中，使用coupling命令将线段在中位面的打断处节点作为控制节点，与对应的钉孔节点在轴向及周向的自由度进行耦合。
步骤9：在interaction模块中，使用create interaction命令在圆柱刚性面与钉孔内环节点之间建立接触关系，在接触属性中设置接触面摩擦系数、钉孔装配关系，此处摩擦系数定义为0.1，钉孔间隙定义为10um。
步骤10：在建好的模型中，在一侧复合材料板远端自由边施加位移约束，另一侧复合材料板远端施加载荷。
步骤11：进行有限元计算后，提取圆柱刚性面与孔壁接触力或者对应位置梁单元节点力即为钉载。
Claims (10)
1.一种考虑钉孔接触及钉弯曲的钉载计算方法，用于对两个或多个连接板的钉载通过有限元计算获得，其特征在于，该方法将连接钉划分为被连接板中位面和连接板之间的中间平面打断的若干子线段，且每个被打断的子线段被划分为包括两个梁单元的网格；在连接板钉孔位置建立若干离散的圆柱刚性面，尺寸与钉孔一致，其中心为参考点，圆柱刚性面的参考点与线段在中位面的打断处节点重合，且两者在6个自由度进行耦合；并以线段在中位面的打断处节点作为控制节点，与对应的钉孔节点在轴向及周向的自由度进行耦合。
2.根据权利要求1所述的钉载计算方法，其特征在于：所述的连接板中位面为连接板的几何中位面。
3.根据权利要求1所述的钉载计算方法，其特征在于：对较大尺寸的连接板，选取部分区域参与计算。
4.根据权利要求1所述的钉载计算方法，其特征在于：将连接钉划分为若干子线段的步骤中，以最外侧的两个中位面之间的钉孔圆心连线建立线段，并将线段在中位面以及各连接板的中间平面打断，从而获得子线段。
5.根据权利要求1所述的钉载计算方法，其特征在于：所述对应的钉孔节点选取方法为：以钉孔中心为圆心，以钉孔为内环、以2倍的钉孔半径作外环划定中位面上的圆环区域，内环节点即为对应的钉孔节点。
6.根据权利要求5所述的钉载计算方法，其特征在于：将圆环区域以4节点板单元划分网格，在中位面的其他区域以板单元划分自由网格，后者的网格密度小于前者的网格密度；为圆柱刚性面以四节点划分网格。
7.根据权利要求1所述的钉载计算方法，其特征在于：有限元计算之前，按装配关系将连接板、连接钉、圆柱刚性面进行装配，在圆柱刚性面与钉孔内环节点之间建立接触关系，在接触属性中设置接触面摩擦系数、钉孔装配关系。
8.根据权利要求7所述的钉载计算方法，其特征在于：在建好的模型中，将约束端试件对应位置施加边界约束条件，在加载端施加对应载荷。
9.根据权利要求8所述的钉载计算方法，其特征在于：有限元计算时，若接触面出现穿透，则将初始增量步减小。
10.根据权利要求8所述的钉载计算方法，其特征在于：有限元计算完成后，提取刚性面与孔壁接触力或者对应位置梁单元节点力即为钉载。
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Address after: 723213 Liulin Town, Chenggu County, Hanzhong City, Shaanxi Province Patentee after: Shaanxi Aircraft Industry Co.,Ltd. Address before: 723213 box 34, Hanzhong City, Shaanxi Province Patentee before: Shaanxi Aircraft INDUSTRY(GROUP) Co.,Ltd. |