CN109522631A - 一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法 - Google Patents

一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109522631A
CN109522631A CN201811314363.7A CN201811314363A CN109522631A CN 109522631 A CN109522631 A CN 109522631A CN 201811314363 A CN201811314363 A CN 201811314363A CN 109522631 A CN109522631 A CN 109522631A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fastening structure
pressure
bolt fastening
bolted
distributed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811314363.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109522631B (zh
Inventor
张周锁
曹建斌
邓文敬
杨文展
郭燕飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN201811314363.7A priority Critical patent/CN109522631B/zh
Publication of CN109522631A publication Critical patent/CN109522631A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109522631B publication Critical patent/CN109522631B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/06—Power analysis or power optimisation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Connection Of Plates (AREA)

Abstract

本发明公开了一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法，首先，根据螺栓连接结构几何特征建立参数化螺栓连接结构三维几何模型，分别设置材料属性和单元类型，参数化离散分网构建包含接触对和预紧单元的螺栓连接结构有限元模型。其次，在预紧状态下对螺栓连接结构进行静力学分析，获取被连接件内部压力分布云图和结合面接触压力分布云图。最后，根据压力分布特征，利用多项式分段函数构造螺栓连接结合面压力分布的数学表达式，表达式系数通过曲线特征和力平衡关系确定。该方法适用于各种螺栓型号和各种材料类型的螺栓连接结构，具有准确度高和稳定性好的优点，为螺栓连接结构结合面连接刚度的高精度计算奠定了基础。

Description

一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法
技术领域
本发明涉及机械连接结构的结合面压力分布表征方法，具体涉及一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法。
背景技术
螺栓连接作为机械连接的一种典型连接形式具有易于拆装和连接刚度大等优点，被广泛应用于机械、化工、航空航天等领域。螺栓连接结构通过接触界面传递载荷和运动，结合面的力学性能制约着结构整体性能的发挥，由此带来的结合面接触压力分布研究就成为螺栓连接动力学分析的主要内容。螺栓连接结构结合面接触压力分布的定量表征直接决定了连接刚度的计算精度，对于螺栓组件在外部载荷作用下动态性能的预测和循环疲劳寿命的评估具有重要的实用价值。
目前主要通过实验方法研究螺栓连接结合面的压力分布，压力敏感膜和界面超声反射是常用的两种实验技术，通过实验获得结合面不同位置处的接触压力散点图，采用高斯函数或Weibull分布函数对实验结果进行曲线拟合，进而表征结合面的压力分布。然而对于不同尺寸的螺栓连接结构，实验方法需要耗费大量的人力和财力成本。另外，连接界面的表面粗糙度严重影响了这些实验技术的稳定性和一致性，难以准确定量表征连接界面的压力分布，制约着连接刚度的计算和整体结构动态性能的分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法，以克服现有技术的缺点，本发明通过数值模拟技术分析螺栓连接结构结合面压力分布特征，利用多项式分段函数对结合面的压力分布进行数学表征，为结合面连接刚度的高精度计算、整体螺栓连接结构动态性能的预测和循环疲劳寿命的评估奠定基础。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法，包括以下步骤：
(1)根据螺栓连接结构几何特征建立参数化螺栓连接结构三维几何模型，所述螺栓连接结构为单螺栓连接结构，包含被连接件和螺栓连接件，被连接件包括上板和下板；
(2)分别设置螺栓连接结构三维实体模型的材料属性和单元类型，参数化离散分网构建螺栓连接结构有限元模型；
(3)对预紧状态下的螺栓连接结构有限元模型进行静力学分析，获得被连接件内部压力分布云图和结合面接触压力分布云图；
(4)根据被连接件内部压力分布和结合面接触压力分布特征，利用多项式分段函数构造螺栓连接结合面压力分布的数学表达式，依据压力分布曲线特征和力平衡条件计算数学表达式的系数。
所述步骤(1)中的螺栓连接结构三维几何模型忽略掉螺纹连接部分，螺柱简化为光杆，螺头和螺母简化为圆柱结构。
所述步骤(2)中螺栓连接结构有限元模型在ANSYS中建立，包含了三处接触单元设置和一处预紧单元设置，三处接触单元设置分别为螺头与上板结合面单元、上板与下板结合面单元、下板与螺母结合面单元，一处预紧单元为螺柱中间平面单元。
所述步骤(3)中被连接件内部压力分布特征呈现出以结合面为对称平面的空间圆锥体对称分布，结合面接触压力分布特征为接触压力沿螺孔圆周方向均匀分布，沿螺孔径向方向先增大到最大值然后逐渐减小为零。
所述步骤(4)中构造的数学表达式具体指螺栓连接结合面上沿螺孔径向方向压力分布的数学表征，如下式所示：
其中：a、b、c、A0～A4表示多项式的系数，r表示螺栓孔的半径，x表示径向距离，表示结合面压力达到最大值时的径向距离。
所述步骤(4)中压力分布曲线特征具体指结合面上沿螺孔径向方向压力分布曲线，该曲线的上升段具有二次函数曲线特征、下降段具有四次函数曲线特征。力平衡条件具体指预紧力与结合面上的压力相等，力平衡条件如下式所示：
P＝∫∫σdA
其中：P表示预紧力，A表示结合接触面积，σ表示结合面上的应力。
螺栓连接结合面压力分布数学表征中的系数可通过曲线特征和力平衡条件确定，如下所示：
其中：R表示结合面的最大接触半径。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提出的螺栓连接结合面压力分布数学表征方法适用于各种标准螺栓型号、材料和预紧力的螺栓连接结构，只需在ANSYS参数化设计语言中改变螺栓的公称直径、上板和下板尺寸以及材料属性即可建立各种类型的有限元模型，通过在预紧单元上施加不同预紧力进行静力学分析可获得不同预紧状态下的压力分布特征，最后采用多项式分段函数对结合面压力分布进行数学表征。相比于现有技术，本发明的压力分布数学表征具有准确度高和稳定性好的优点，为螺栓连接结构结合面连接刚度的高精度计算奠定了基础。
附图说明
图1为本发明螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法流程图。
图2为螺栓连接结构三维几何模型，其中(a)为被连接板的三维几何模型，(b)为螺栓连接结构几何模型主视图。
图3为螺栓连接结构有限元模型，其中(a)为螺栓连接结构三维有限元模型，(b)为螺栓连接结构横截面有限元模型。
图4为被连接件内部压力分布云图。
图5为结合面压力分布云图。
图6为结合面径向压力分布。
图7为数学表征与有限元分析结果的比较。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：
本发明提出一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法，通过数值模拟技术分析螺栓连接结构结合面压力分布特征，利用多项式分段函数对结合面的压力分布进行数学表征，参照图1，该方法包括以下步骤：
(1)根据螺栓连接结构几何特征，利用ANSYS的APDL建立参数化螺栓连接结构三维几何模型，所述螺栓连接结构为单螺栓连接结构，包含被连接件和螺栓连接件，被连接件包括上板和下板。为了加快数值模拟速度且能保证计算准确度，模型忽略了螺纹连接部分，螺柱简化为光杆，螺头和螺母简化为光滑圆柱结构。
如图2所示为建立的螺栓连接结构三维几何模型，1为螺栓，2为上板，3为下板，4为螺母。具体几何参数为：螺栓螺母的标准型号为M8、上板60×40×10mm、下板60×40×10mm、上板和下板圆孔直径为8.5mm、两板的重合尺寸为40×40mm。
(2)分别设置三维实体模型中螺栓、螺母和上、下板的材料属性，材料属性包括弹性模量、泊松比和密度。对三维实体模型进行参数化映射网格划分，网格均为正六面体，网格单元设置为SOLID45三维实体单元。合并螺栓和螺母的单元、节点、关键点等项，将螺栓螺母看作一个整体。根据生成的实体网格创建3个接触对，分别为螺栓与上板的接触面、上板与下板的接触面、下板与螺母的接触面。设置螺柱中间平面单元为预紧单元。至此，已建立完整的参数化螺栓连接结构有限元模型。
如图3所示为建立的螺栓连接结构有限元模型，整个模型包含20683个节点和17352个单元，模型中各零件的材料属性均相同，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3。三个接触对采用目标单元TARGE170和接触单元CONTA173设置，预紧单元采用PRETS179设置。
(3)设置边界条件为下板左端面完全约束，在预紧单元上施加5000N预紧力后对螺栓连接结构进行静力学分析，获得如图4所示的被连接件内部压力分布云图和如图5所示的结合面接触压力分布云图。从图4可以看出被连接件内部压力分布特征呈现出以结合面为对称平面的空间圆锥体对称分布。从图5可以看出结合面接触压力分布特征为接触压力沿螺孔圆周方向均匀分布，沿螺孔径向先增大到最大值然后逐渐减小为零，结合面径向方向压力分布如图6所示。
(4)根据被连接件内部压力分布和结合面接触压力分布特征，利用多项式分段函数构造螺栓连接结合面压力分布的数学表征如下式所示：
其中：a、b、c、A0～A4表示多项式的系数，r表示螺栓孔的半径，表示结合面压力达到最大值时的径向距离。由于结合面接触压力围绕螺孔均匀分布，因此上式的数学表达式具体指螺栓连接结合面上沿螺孔径向方向压力分布的数学表征。
螺栓连接结合面压力分布数学表征中的系数可通过曲线特征和力平衡条件确定。其中，压力分布曲线上升段具有二次函数曲线特征、下降段具有四次函数曲线特征。力平衡条件具体指预紧力与结合面上的压力相等，力平衡条件如下式所示：
P＝∫∫σdA
其中：P表示预紧力，A表示结合接触面积。
螺栓连接结合面压力分布数学表征中的系数可通过以下两式确定：
其中：R表示结合面的最大接触半径。
结合面压力分布的数学表征结果与有限元分析结果的比较如图7所示，从图中可看出两条曲线重合度较高误差较小，因此本专利提出的螺栓连接结合面压力分布数学表征方法能够高精度描述螺栓连接界面的压力分布特征，为结合面连接刚度的高精度计算奠定了基础，对于螺栓组件在外部载荷作用下动态性能的预测和循环疲劳寿命的评估具有重要的实用价值。

Claims (6)

1.一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据螺栓连接结构几何特征建立参数化螺栓连接结构三维几何模型，所述螺栓连接结构为单螺栓连接结构，包含被连接件和螺栓连接件，被连接件包括上板和下板；
(2)分别设置螺栓连接结构三维几何模型的材料属性和单元类型，参数化离散分网构建螺栓连接结构有限元模型；
(3)对螺栓连接结构有限元模型施加预紧力进行静力学分析，获得被连接件内部压力分布云图和结合面接触压力分布云图；
(4)根据被连接件内部压力分布和结合面接触压力分布特征，利用多项式分段函数构造螺栓连接结合面压力分布的数学表达式，依据压力分布曲线特征和力平衡条件计算数学表达式的系数。
2.根据权利要求1所述的一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法，其特征在于，所述步骤(1)中的螺栓连接结构三维几何模型忽略掉螺纹连接部分，螺柱简化为光杆，螺头和螺母简化为圆柱结构。
3.根据权利要求1所述的一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法，其特征在于，所述步骤(2)中螺栓连接结构有限元模型在ANSYS中建立，包含了三处接触单元设置和一处预紧单元设置，三处接触单元设置分别为螺头与上板结合面单元、上板与下板结合面单元、下板与螺母结合面单元，一处预紧单元为螺柱中间平面单元。
4.根据权利要求1所述的一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法，其特征在于，所述步骤(3)中被连接件内部压力分布云图呈现出以结合面为对称平面的空间圆锥体对称分布，结合面接触压力分布云图为接触压力沿螺孔圆周方向均匀分布，接触压力沿螺孔径向方向先增大到最大值然后逐渐减小为零。
5.根据权利要求1所述的一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法，其特征在于，所述步骤(4)中构造的数学表达式具体指螺栓连接结合面上沿螺孔径向方向压力分布的数学表征，如下式所示：
其中：a、b、c、A0～A4表示多项式的系数，r表示螺栓孔的半径，x表示径向距离，θ表示结合面压力达到最大值时的径向距离。
6.根据权利要求5所述的一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法，其特征在于，所述步骤(4)中压力分布曲线特征具体指结合面上沿螺孔径向方向压力分布曲线，该曲线的上升段具有二次函数曲线特征、下降段具有四次函数曲线特征；力平衡条件具体指预紧力与结合面上的压力相等，力平衡条件如下式所示：
P＝∫∫σdA
其中：P表示预紧力，A表示结合接触面积，σ表示结合面上的应力；
螺栓连接结合面压力分布数学表征中的系数通过曲线特征和力平衡条件确定，如下所示：
其中：R表示结合面的最大接触半径。
CN201811314363.7A 2018-11-06 2018-11-06 一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法 Active CN109522631B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811314363.7A CN109522631B (zh) 2018-11-06 2018-11-06 一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811314363.7A CN109522631B (zh) 2018-11-06 2018-11-06 一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109522631A true CN109522631A (zh) 2019-03-26
CN109522631B CN109522631B (zh) 2021-07-13

Family

ID=65776365

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811314363.7A Active CN109522631B (zh) 2018-11-06 2018-11-06 一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109522631B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102063552A (zh) * 2011-01-07 2011-05-18 西安交通大学 一种螺栓连接件刚度的确定方法
CN103500267A (zh) * 2013-09-06 2014-01-08 西安交通大学 利用状态信息判定螺栓连接设备装配可靠度的方法
CN106294941A (zh) * 2016-07-29 2017-01-04 东南大学 一种考虑预紧力的螺栓连接结合面刚度模拟方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102063552A (zh) * 2011-01-07 2011-05-18 西安交通大学 一种螺栓连接件刚度的确定方法
CN103500267A (zh) * 2013-09-06 2014-01-08 西安交通大学 利用状态信息判定螺栓连接设备装配可靠度的方法
CN106294941A (zh) * 2016-07-29 2017-01-04 东南大学 一种考虑预紧力的螺栓连接结合面刚度模拟方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GUO YANFEI 等: "An optimized variational mode decomposition for extracting weak feature of viscoelastic sandwich cylindrical structures", 《MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY》 *
ZHAO YONGSHENG: "Stiffness and Damping Model of Bolted Joints with Uneven Surface Contact Pressure Distribution", 《STROJNIŠKI VESTNIK - JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING》 *
王崴 等: "振动工况下螺栓连接自松弛机理研究", 《振动与冲击》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109522631B (zh) 2021-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rumsey et al. Description of a website resource for turbulence modeling verification and validation
Ngo-Cong et al. Free vibration analysis of laminated composite plates based on FSDT using one-dimensional IRBFN method
CN103792143B (zh) 一种单轴拉伸全程真应力应变曲线的快速获取方法
WO2019011026A1 (zh) 基于聚类分析的复合材料结构有限元模型修正方法
CN103455686A (zh) 架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法
CN109815529A (zh) 角钢-节点板连接节点的设计方法
CN104281730B (zh) 一种大转动变形的板壳结构动响应的有限元分析方法
CN102446241A (zh) 一种翼面结构刚度仿真方法
CN103106305A (zh) 一种基于实测模态的空间网格结构模型分步修正方法
CN103559390A (zh) 一种基于平均失效指数的复合材料π形胶接连接结构拉伸强度预测方法
CN103838913A (zh) 曲线箱梁弯桥的有限单元法
CN106021644A (zh) 确定混合维模型界面约束方程系数的方法
CN104615840A (zh) 一种数字仿真模型的修正方法及系统
CN104298823A (zh) 一种高、低温天平分析方法及分析系统
CN111159934A (zh) 一种铝基复合材料动力学模拟方法
CN102163263B (zh) 风机叶片振动位移及其威布尔分布拟合方法
CN109522631A (zh) 一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法
CN107862130A (zh) 一种导致继电器贮存退化的内部关键因素的分析方法
Zhang et al. An adaptive scaled boundary finite element method by subdividing subdomains for elastodynamic problems
CN107727350B (zh) 微纳卫星矢量振动试验方法
Lamberson et al. Aeroelastic simulations with modal and finite-element structural solvers using CREATE-AV/Kestrel v5
Padewska et al. Analysis of fluid-structure interaction of a torus subjected to wind loads
CN116108510A (zh) 一种基于极坐标表达双变量权函数的应力强度因子计算方法
CN115495962A (zh) 一种基于分层虚拟材料的螺栓连接结合部建模方法
Hwang et al. Assessment of S-76 rotor aerodynamic performance in hover on unstructured mixed meshes

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant