CN109657337B - 一种快速模拟单面搭接件螺栓连接的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞机结构建模技术领域，具体涉及一种快速模拟单面搭接件螺栓连接的建模方法。所述的建模方法基于螺栓的拉伸刚度、剪切刚度以及传力特性，同时考虑连接件的刚度，对模型进行简化处理；依据本发明的建模方法在PATRAN中得到的螺栓连接的有限元模型，能够快速、准确的反应螺栓的拉伸刚度、剪切刚度以及传力特性，并且考虑了被连接件对螺栓刚度的影响，满足工程需求，可以明显缩短计算时间，提高计算效率。

Description

一种快速模拟单面搭接件螺栓连接的建模方法

技术领域

本发明属于飞机结构建模技术领域，具体涉及一种快速模拟单面搭接件螺栓连接的建模方法。

背景技术

螺栓连接在各种机械、建筑设施和武器结构中有着广泛的应用。在飞机结构工程中，螺栓连接方式大量应用于飞机零件的组装。各种气动载荷和惯性载荷，通过螺栓在飞机相互连接的各结构间相互传递，以达到飞机整体结构的平衡。传统上，一般是采用解析方法对螺栓连接的力学问题进行简化分析，并将分析结果和充分的实验结果结合进行相应的结构设计。在这种设计分析中，假设接头预紧后，螺母与螺头对被连接件的压力影响区为一空心截锥体，在计算被连接件的刚度时，用一刚度相当的当量圆筒代替被连接件，并将整个接头受到的轴向外力等效作用到螺栓杆上。由此导出的预紧螺栓接头在受到轴向外力作用时，螺栓的轴向伸长量与被连接件的轴向压缩量都随外力而线性变化。由于简化处理，解析计算的误差必然影响设计的精度，使设计达不到经济实惠的要求，导致浪费或安全事故。另一方面实体单元虽然精确，却要求每个零件及螺栓都要实体建模，建模过程复杂，计算效率低。

发明内容

本发明的目的是：设计一种快速模拟单面搭接件螺栓连接的建模方法，以解决目前螺栓连接建模中过程复杂，计算效率低的技术问题。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一种快速模拟单面搭接件螺栓连接的建模方法，所述的建模方法基于螺栓的拉伸刚度、剪切刚度以及传力特性，同时考虑连接件的刚度，对模型进行简化处理。所述的建模方法步骤如下:

步骤一、计算螺栓的剪切刚度及拉伸刚度；

步骤二、将得到的剪切刚度及拉伸刚度带入有限元模型中完成计算。

所述的步骤一具体为：

1、确定被连接板的几何尺寸，材料特性以及所用螺栓的牌号、直径、材料特性；

2、确定单面搭接件的紧固件柔度系数；

3、确定单面搭接件的紧固件刚度系数。

所述的步骤二具体为：

1、进行有限元网格划分，同时在螺栓中心点位于上下面板的对接面处建立两个重合节点，并将上下面板位于螺栓直径周围内节点与上述两个节点形成两个刚体元；

2、将两个重合点连接形成单元，并且将计算的刚度值模拟螺栓剪切刚度及拉伸刚度；

3、在有限元模型中计算得到最终结果。

所述的紧固件柔度系数C公式如下：

式中:d—紧固件直径；t₁—较薄板的厚度；t₂—较厚板的厚度；E—板弹性模量；K_e—紧固件材料修正系数。

所述的紧固件剪切刚度系数K₁公式如下：

所述的K_e取值为：

对于铝钉，K_e＝1；对于钛钉，K_e＝0.77；对于钢钉，K_e＝0.67。

本发明的有益效果是：依据本发明的快速模拟单面搭接件螺栓连接的建模方法得到的螺栓连接的有限元模型，能够快速、准确的反应螺栓的拉伸刚度、剪切刚度以及传力特性，并且考虑了被连接件对螺栓刚度的影响，满足工程需求，可以明显缩短计算时间，提高计算效率。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为单面搭接件示意图；

图3为单面搭接件有限元模型示意图；

图4是单面搭接件模拟螺栓连接有限元模型示意图；

图中，1为上面板有限元模型，2为下面板有限元模型，3为RBE2刚体元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

本发明快速模拟螺栓连接的有限元建模方法步骤如下：

1)首先确定被连接板的厚度(上板厚度t₁为3mm，下板厚度t₂为4mm)，材料特性(E为71000MPa)以及所用紧固件为钛螺栓，直径(d为6mm)，材料特性(E₁为109000MPa)，；

2)确定单面搭接件的紧固件柔度系数；

对于图2所示的单剪连接件，可按下式确定其紧固件弹性柔度系数C:

式中:d—紧固件直径；

t₁—较薄板的厚度；

t₂—较厚板的厚度；

E—板弹性模量；

K_e—紧固件材料修正系数；对于铝钉，K_e＝1；对于钛钉，K_e＝0.77；对于钢钉，K_e＝0.67。

根据步骤1)的参数以及柔度系数公式可得柔度系数C为3.99E^-5mm/N。

3)确定单面搭接件的紧固件刚度系数；

剪切刚度K₁：

根据步骤2)得到的柔度系数可计算得到K₁为25056.63N/mm。

拉伸刚度K₂：

式中:A—紧固件截面积；

t₁—较薄板的厚度；

t₂—较厚板的厚度；

E₁—紧固件弹性模量；

根据步骤1)的参数以及拉伸刚度公式可得拉伸刚度K₂为440048.6N/mm。

4)采用MSC.PATRAN软件对上下面板进行有限元网格划分，如图3所示；图3中上下面板均采用四面体单元，中间圆孔为螺栓孔，同时在螺栓中心点位于上下面板的对接面处建立两个重合节点，并将上下面板位于螺栓直径周围内节点与上述两个节点形成两个RBE2刚体元，如图4所示；RBE2为定义在—个结点处具有独立自由度的刚性体。

5)调用MSC.NASTRAN程序卡片，采用CELAS2语句将两个重合点连接形成单元，并且将计算的刚度值K₁及K₂带入语句中模拟螺栓剪切刚度及拉伸刚度；

6)带入有限元模型中，调用MSC.NASTRAN程序，得到计算结果。

Claims (5)

1.一种快速模拟单面搭接件螺栓连接的建模方法，其特征在于：所述的建模方法基于螺栓的拉伸刚度、剪切刚度以及传力特性，同时考虑连接件的刚度，对模型进行简化处理，步骤如下:

步骤一、计算螺栓的剪切刚度及拉伸刚度；

步骤二、将得到的剪切刚度及拉伸刚度带入有限元模型中完成计算；具体为：

3.1、进行有限元网格划分，同时在螺栓中心点位于上下面板的对接面处建立两个重合节点，并将上下面板位于螺栓直径周围内节点与上述两个节点形成两个刚体元；

3.2、将两个重合点连接形成单元，并且将计算的刚度值模拟螺栓剪切刚度及拉伸刚度；

3.3、在有限元模型中计算得到最终结果。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述的步骤一具体为：

2.1、确定被连接板的几何尺寸，材料特性以及所用螺栓的牌号、直径、材料特性；

2.2、确定单面搭接件的紧固件柔度系数；

2.3、确定单面搭接件的紧固件刚度系数。

3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于：所述的紧固件柔度系数C公式如下：

式中:d—紧固件直径；t₁—较薄板的厚度；t₂—较厚板的厚度；E—板弹性模量；K_e—紧固件材料修正系数。

4.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于：所述的紧固件剪切刚度系数K₁公式如下：

5.根据权利要求3所述的建模方法，其特征在于：所述的K_e取值为：

对于铝钉，K_e＝1；对于钛钉，K_e＝0.77；对于钢钉，K_e＝0.67。

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