CN109635316B - 一种螺栓仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺栓仿真分析方法，特点是包括以下步骤：(1)将螺栓纵向摆放，螺栓头朝下，建立螺栓有限元模型的各节点受力方向模型；(2)若对称轴方向与正方向不一致则模型对应旋转；(3)将上述模型导入Fortran编译器中，若螺栓为标准件则输入螺栓标准件代号；若螺栓为非标准件则输入螺杆信息，运行Fortran编程语言得到螺栓表面有限元网格以及各结点受力方向；(4)将螺栓表面有限元网格以及各结点受力方向坐标向量输入到HyperMesh软件中，运行TCL宏，输出螺栓输出螺栓3D二阶实体网格和2D螺纹线网格各节点受力方向，优点是网格简单，仿真精度高且耗时少。
Description
技术领域
本发明涉及一种螺栓仿真分析方法。
背景技术
螺纹联接广泛存在于各类机械结构中，是最常用的紧固手段之一。例如，发动机中各个部件装配中重要的联接方式是螺栓联接。盾构隧道是地铁在设计、施工中的重要环节，其衬砌为装配式结构，接缝多以螺栓连接，从目前已进行的整环足尺试验来看，结构的破坏始于接缝处，接缝的构造形式及极限承载能力在整环结构承载中占有重要地位。对于接头的设计，一般近似地将接头面看作是连续的钢筋混凝土截面，将螺栓看作受拉钢筋，螺栓有单排直螺栓、单排弯螺栓、斜螺栓等几种连接形式。
对于螺栓部件的仿真过程中，一般会采用精细化模型和简单化模型。其中，简单化模型网格数目少，网格为直筒状，计算简单，但精度较低；而精细化模型仿真精度高，但网格数目庞大，计算困难，影响效率。在CAE仿真过程中，盾构隧道衬砌结构繁多，螺栓数目更是极多，故需要通过一种仿真分析方法，以达到仿真精度高、耗时少两方面的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种网格简单，仿真精度高且耗时少的螺栓仿真分析方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种螺栓仿真分析方法，包括以下步骤：(1)将螺栓纵向摆放，螺栓头朝下，建立螺栓有限元模型的各节点受力方向模型：
其中
为牙口角度，β螺纹线上升角度；θ为螺栓有限元网格所占角度，
n为一圈的网格数，n取值为12-36内的任一整数；
相应为坐标系x、y、z的单位方向向量；
(2)设定螺栓头部中心坐标(x0，y0，z0)，螺栓从下到上第一圈螺纹线中心坐标(xc，yc，zc)；若|xc-x0|≤0.001，|yc-y0|≤0.001，zc≥z0时，不需旋转螺栓有限元模型的各节点受力方向模型；否则需要旋转螺栓有限元模型的各节点受力方向模型，螺栓有限元模型的各节点受力方向模型旋转后如下：
即
其中：
a＝H(2,2)×H(3,3)-H(3,2)×H(2,3)
b＝H(2,3)×H(3,1)-H(2,1)×H(3,3)
c＝H(2,1)×H(3,2)-H(2,2)×H(3,1)
(x7，y7，z7)为(xc，yc，zc)坐标与(x，y，z)坐标连线上的任意点；
(3)将上述模型导入Fortran编译器中，并设置一圈螺纹的网格数n；若螺栓为标准件，则在Fortran编译器中输入螺栓标准件代号，螺栓头部中心坐标即(x0，y0，z0)以及螺栓从下到上第一圈螺纹线中心坐标即(xc，yc，zc)；若螺栓为非标准件，则在Fortran编译器中输入螺头高度、螺头半径、螺杆高度、螺栓半径、螺纹圈数、螺纹间距、牙口角度、螺纹线上升角度、螺栓头部中心坐标即(x0，y0，z0)以及螺栓从下到上第一圈螺纹线中心坐标即(xc，yc，zc)，运行Fortran编程语言，得到螺栓表面有限元网格以及螺栓螺纹各节点受力方向坐标向量；其中各类螺栓标准件的螺栓信息预先存储到Fortran编译器中，所述的螺栓信息包括螺头高度、螺头半径、螺杆高度、螺栓半径、螺纹圈数、螺距、牙口角度、螺纹线上升角度；
(4)将步骤(3)得到的螺栓表面有限元网格以及螺栓螺纹各节点受力方向坐标向量输入到HyperMesh软件中，在HyperMesh软件中运行TCL宏，输出螺栓3D二阶实体网格、2D螺纹线网格各节点受力方向和螺栓接触面网格。
步骤(1)中所述的螺栓有限元模型的各节点受力方向模型建立方法如下：
1)设定
垂直面ABCD，A的坐标为(rsinθ,rcosθ,z)，B的坐标为
其中P为螺栓线程，r为螺杆半径，则
2)D的坐标为
则
即：
3)
得
X方向
Y方向
Z方向
故：
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种螺栓仿真分析方法，用于有限元分析的基于螺纹几何特征的螺旋线螺纹模型，在仿真模型中兼顾计算效率与精度，根据螺纹和螺孔接触总是在螺纹的正法线方向的特点，建立合理有效的螺纹接触优化算法。基于螺纹螺旋线形状的特点，运用Hypermesh脚本语言，完成螺栓及螺孔的螺纹网格自动生成，提高效率与网格质量，减少人工前处理时间，在保证计算准确的同时，有效地提高了计算效率。主要的实施就是通过根据实际的螺栓螺纹咬合的特征，编辑Fortran语言，生成用于有限元分析的具有螺纹特征效果的圆筒形螺栓网格模型。
综上所述，本发明运用Fortran编程语言，建立一套程序，根据简单化网格节点，自动计算螺纹线上各点所受力的方向，输出螺栓有限元模型和螺纹线，从而实现简单化网格的精细化计算，达到精细化模型的仿真精度，在保证计算准确的同时，有效地提高了计算效率，具有网格简单，仿真精度高，且效率高，创建螺纹疲劳系数分布图，在螺栓紧固件结构方面运用效果显著。
附图说明
图1为公式推理螺栓简化图；
图2为导入HyperMesh软件生成的网格直观图，其中A为螺栓3D二阶实体网格，B为2D螺纹线网格各节点受力方向；
图3为导入HyperMesh软件生成的螺栓接触面网格；
图4为发动机螺栓位置图；
图5为螺栓精细化模型结果图；
图6为本发明仿真方法所得模型结果图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
具体实施例
一种螺栓仿真分析方法，包括以下步骤：
(1)将螺栓纵向摆放，螺栓头朝下，建立螺栓有限元模型的各节点受力方向模型：
其中
为牙口角度，β螺纹线上升角度；θ为螺栓有限元网格所占角度，
n为一圈的网格数，n取值为12-36内的任一整数；
相应为坐标系x、y、z的单位方向向量；
公式具体推导过程为：
如图1所示，
垂直面ABCD
设A的坐标为(rsinθ,rcosθ,z)
1.B的坐标为
其中P为螺栓线程，r为螺杆半径；
2.D的坐标为
即：
得：
X方向
Y方向
Z方向
故：
(2)设定螺栓头部中心坐标(x0，y0，z0)，螺栓从下到上第一圈螺纹线中心坐标(xc，yc，zc)；若|xc-x0|≤0.001，|yc-y0|≤0.001，zc≥z0时，不需旋转螺栓有限元模型的各节点受力方向模型；否则需要旋转螺栓有限元模型的各节点受力方向模型，螺栓有限元模型的各节点受力方向模型旋转后如下：
即
推导公式如下：以下设定螺栓头部中心坐标(x0，y0，z0)，螺栓从下到上第一圈螺纹线中心坐标(xc，yc，zc)；(x7，y7，z7)为(xc，yc，zc)坐标与(x，y，z)坐标连线上的任意点；5、10为选取的任意数值，可用任意自然数替换；
1.判断：|xc-x0|≤0.001,|yc-y0|≤0.001,zc≥z0时，不需旋转；否则需要旋转；
2.旋转螺栓；
当|xc-x0|≤0.001,|yc-y0|≤0.001时：
当|xc-x0|≤0.001,|yc-y0|＞0.001,|zc-z0|≤0.001时：
当|xc-x0|≤0.001，|yc-y0|＞0.001，|zc-z0|＞0.001时：
当|xc-x0|＞0.001，|yc-y0|≤0.001时：
当|xc-x0|＞0.001，|yc-y0|＞0.001，|zc-z0|≤0.001时：
当|xc-x0|＞0.001，|yc-y0|＞0.001，|zc-z0|＞0.001时：
a＝H(2，2)×H(3，3)-H(3，2)×H(2，3)
b＝H(2,3)×H(3,1)-H(2,1)×H(3,3)
c＝H(2,1)×H(3,2)-H(2,2)×H(3,1)
(3)将上述模型导入Fortran编译器中，并设置一圈螺纹的网格数n；若螺栓为标准件，则在Fortran编译器中输入螺栓标准件代号，螺栓头部中心坐标即(x0，y0，z0)以及螺栓从下到上第一圈螺纹线中心坐标即(xc，yc，zc)；若螺栓为非标准件，则在Fortran编译器中输入螺头高度、螺头半径、螺杆高度、螺栓半径、螺纹圈数、螺距、牙口角度、螺纹线上升角度、螺栓头部中心坐标即(x0，y0，z0)以及螺栓从下到上第一圈螺纹线中心坐标即(xc，yc，zc)，运行Fortran编程语言，得到螺栓表面有限元网格以及螺栓螺纹各节点受力方向坐标向量；其中各类螺栓标准件的螺栓信息预先存储到Fortran编译器中，螺栓信息包括螺头高度、螺头半径、螺杆高度、螺栓半径、螺纹圈数、螺距、牙口角度、螺纹线上升角度；螺头高度、螺头半径是为了生成螺头部分表面网格；螺杆高度、螺栓半径为了生成螺杆表面网格；螺纹第一圈中心坐标、螺纹圈数、螺纹间距是为了确定计算螺栓受力方向的区域；
(4)将步骤(3)得到的螺栓表面有限元网格以及螺栓螺纹各节点受力方向坐标向量输入到HyperMesh软件中，在HyperMesh软件中运行TCL宏，输出螺栓3D二阶实体网格、2D螺纹线网格各节点受力方向(如图2所示)和螺栓接触面网格(如图3所示，即螺栓受力区域与施力区域，即螺纹受力与其他部件、螺栓头部与其他部件的接触面)。
对比试验：在耐久性实验中螺纹疲劳失效的运用。主轴承盖与发动机机体连接螺栓位置如图4所示，螺栓样式为M9。运用CAE仿真方法得到的精细化模型，螺纹网格节点共1100000，仿真计算耗时7天，仿真结果如图5所示；运用该仿真方法，网格节点共680000，仿真计算耗时1天，仿真结果如图6所示。两方法仿真结果对比可知，两者应力分布图相近；精细化模型最大应力为343MPa，其次为253MPa，运用本发明螺栓仿真分析法仿真结果最大应力为312MPa，其次为226MPa，两者数值结果相近，应力分布图位置相同。
上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种螺栓仿真分析方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将螺栓纵向摆放，螺栓头朝下，建立螺栓有限元模型的各节点受力方向模型：
其中
为牙口角度，β螺纹线上升角度；θ为螺栓有限元网格所占角度，
n为一圈的网格数，n取值为12-36内的任一整数；
相应为坐标系x、y、z的单位方向向量；
(2)设定螺栓头部中心坐标(x0，y0，z0)，螺栓从下到上第一圈螺纹线中心坐标(xc，yc，zc)；若|xc-x0|≤0.001，|yc-y0|≤0.001，zc≥z0时，不需旋转螺栓有限元模型的各节点受力方向模型；否则需要旋转螺栓有限元模型的各节点受力方向模型，螺栓有限元模型的各节点受力方向模型旋转后如下：
即
其中：
a＝H(2,2)×H(3,3)-H(3,2)×H(2,3)，
b＝H(2,3)×H(3,1)-H(2,1)×H(3,3)，
c＝H(2,1)×H(3,2)-H(2,2)×H(3,1)，
(x7，y7，z7)为(xc，yc，zc)坐标与(x，y，z)坐标连线上的任意点；
(3)将上述模型导入Fortran编译器中，并设置一圈螺纹的网格数n；若螺栓为标准件，则在Fortran编译器中输入螺栓标准件代号，螺栓头部中心坐标即(x0，y0，z0)以及螺栓从下到上第一圈螺纹线中心坐标即(xc，yc，zc)；若螺栓为非标准件，则在Fortran编译器中输入螺头高度、螺头半径、螺杆高度、螺栓半径、螺纹圈数、螺距、牙口角度、螺纹线上升角度、螺栓头部中心坐标即(x0，y0，z0)以及螺栓从下到上第一圈螺纹线中心坐标即(xc，yc，zc),运行Fortran编程语言，得到螺栓表面有限元网格以及螺栓螺纹各节点受力方向坐标向量；其中各类螺栓标准件的螺栓信息预先存储到Fortran编译器中，所述的螺栓信息包括螺头高度、螺头半径、螺杆高度、螺栓半径、螺纹圈数、螺距、牙口角度和螺纹线上升角度；
(4)将步骤(3)得到的螺栓表面有限元网格以及螺栓螺纹各节点受力方向坐标向量输入到HyperMesh软件中，在HyperMesh软件中运行TCL宏，输出螺栓3D二阶实体网格、2D螺纹线网格各节点受力方向和螺栓接触面网格。
2.根据权利要求1所述的一种螺栓仿真分析方法，其特征在于：步骤(1)中所述的螺栓有限元模型的各节点受力方向模型建立方法如下：
1)设定
垂直面ABCD，A的坐标为(rsinθ,rcosθ,z)，B的坐标为
其中P为螺栓线程，r为螺杆半径，则
2)D的坐标为
则
即：
3)
得
X方向
Y方向
Z方向
故：
式中：
为牙口角度；β螺纹线上升角度；θ为螺栓有限元网格所占角度。
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