CN110008540A - 一种基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法。本发明的方法包括步骤：S1.建立舱段对接螺栓连接结构的3D几何模型；S2.根据所述螺栓连接结构的3D几何模型建立螺栓连接结构的有限元模型；S3.根据所述螺栓连接结构的有限元模型进行接触有限元建模，并进行螺栓连接松动模拟计算。本发明中的基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法，以仿真方法模拟出舱段对接螺栓连接松动过程中出现的预紧力下降的现象，能够有效指导受到基础激励的舱段对接螺栓连接结构的设计。

Description

一种基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法
技术领域
本发明属于有限元仿真模拟领域，尤其涉及一种基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法。
背景技术
螺栓作为最常见的紧固方法之一，广泛应用于航空航天、土木工程、机械工程等领域。正常工作状态下的螺栓连接能可靠地完成被连接结构之间力的传递，这依赖于接触面上有足够大的夹紧力，夹紧力的施加则是通过拧紧螺栓来实现的，因此螺栓连接失效的标志便是螺栓预紧力的下降。除极端情况下螺栓发生拉断、断牙导致预紧力的消失，更多的情况是随着服役时间的增加出现预紧力缓慢下降的现象，这一现象称为螺栓松动。松动是螺栓连接结构失效的主要形式，因此对于螺栓松动问题的模拟具有重要的工程意义。
传统的螺栓连接模拟方法一般有两种，一是以绑定的方式代替接触，二是将螺栓连接等效为梁单元、Bush单元、薄层单元等。以上方法虽然能有效地等效正常工作状态下的螺栓连接，但对于发生松动导致预紧力下降则无能为力。因此需要一种针对螺栓连接结构受载后出现预紧力下降现象的模拟方法。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法，以仿真方法模拟出舱段对接螺栓连接松动过程中出现的预紧力下降的现象，能够有效指导受到基础激励的舱段对接螺栓连接结构的设计，具有十分重要的工程意义。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法，该方法包括以下步骤：
S1.建立舱段对接螺栓连接结构的3D几何模型，所述螺栓连接结构包括被连接件和螺栓连接件，所述被连接件包括上被连接板(1)和下被连接板(2)，二者均为L形板，其长边(1-1)和(2-1)上对应位置分别设置有相同大小的圆孔，形成通孔；所述螺栓连接件包括螺杆(3)和螺母(4)；上被连接板(1)通过螺栓连接件与下被连接件(2)连接，螺杆(3)从一侧穿过上被连接板(1)和下被连接板(2)的圆孔，螺母(4)从另一侧拧紧在螺杆上，从而形成可靠的连接，所述螺栓连接件设置有螺纹；
S2.根据所述螺栓连接结构的3D几何模型建立螺栓连接结构的有限元模型；
S3.根据所述螺栓连接结构的有限元模型进行接触有限元建模，并进行螺栓连接松动模拟计算。
所述的基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法，步骤S2中所述的根据螺栓连接结构的3D几何模型建立螺栓连接结构的有限元模型的具体方法包括：
S21：根据所述被连接件的3D几何模型建立被连接件的有限元模型；
S22：将螺杆(3)剖分为外螺纹和三阶梯圆柱，分别划分有限元网格，使剖分面具有相同的网格，而后压缩重合节点使其成为一体，从而建立螺杆(3)的有限元模型；
S23：将螺母(4)剖分为内螺纹和空心圆柱，分别划分有限元网格，使剖分面具有相同的网格，而后压缩重合节点使其成为一体，从而建立螺母(4)的有限元模型。
所述的基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法，步骤S3中所述的根据所述螺栓连接结构的有限元模型进行接触有限元建模，并进行螺栓连接松动模拟计算的具体方法包括：
S31：选择螺杆(3)的内部表面作为预紧截面，其法向沿螺杆轴线方向，在预紧截面上施加螺栓预紧力；
S32：建立四处摩擦接触对，分别为螺杆(3)的螺头下表面与上被连接板(1)上表面、上被连接板(1)下表面与下被连接板(2)上表面、下被连接板(2)下表面与螺母(4)上表面以及螺杆(3)外螺纹与螺母(4)内螺纹，采用有限滑移，切向设置为罚摩擦，法向设置为硬接触；
S33：对下被连接板(2)短边(2-2)施加约束，使其固定，在上被连接板(1)短边(1-2)施加往复的正弦位移载荷以模拟基础激励，进行螺栓连接松动模拟计算，提取螺栓预紧力变化曲线。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
传统的螺栓连接模拟方法一般有两种，一是以绑定的方式代替接触，二是将螺栓连接等效为梁单元、Bush单元、薄层单元等。以上方法虽然能有效地等效正常工作状态下的螺栓连接，但对于发生松动导致预紧力下降则无能为力。而本发明中基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法采用考虑接触的三维实体模型，且考虑了螺栓连接中的螺纹，以仿真方法模拟出舱段对接螺栓连接松动过程中出现的预紧力下降的现象，反应出连接状态的改变，能够有效指导受到基础激励的舱段对接螺栓连接结构的设计。
附图说明
图1为舱段对接螺栓连接结构的3D几何模型；
图2为舱段对接螺栓连接结构的分解结构的3D几何模型；
图3为含螺纹螺杆的3D几何模型；
图4为舱段对接螺栓连接结构的正视图；
图5为被连接件的有限元模型；
图6为螺杆的有限元模型；
图7为预紧截面与预紧力位置示意图；
图8为舱段对接螺栓连接结构的接触对设置；
图9为舱段对接螺栓连接结构的边界条件设置；
图10为舱段对接螺栓连接结构的螺栓预紧力变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明中基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法，包括以下步骤：
S1.首先建立舱段对接螺栓连接结构的3D几何模型，如图1至3所示，该3D几何模型包括被连接件的3D几何模型和螺栓连接件3D几何模型，所述被连接件包括上被连接板(1)和下被连接板(2)，二者均为L形板，其长边(1-1)和(1-2)上对应位置分别设置有相同大小的圆孔，形成通孔；所述螺栓连接件包括螺杆(3)和螺母(4)；上被连接板(1)通过螺栓连接件与下被连接件(2)连接，螺杆(3)从一侧穿过上被连接板(1)和下被连接板(2)的圆孔，螺母(4)从另一侧拧紧在螺杆上，从而形成可靠的连接，所述螺栓连接件设置有螺纹。该螺栓连接结构的几何参数和物理参数如下：
如图4中所示，两块被连接板形状为L形，螺栓为M10，材料均为钢，L形长边尺寸为L1＝100mm，短边尺寸为L2＝L3＝80mm，L形板厚度为d1＝d2＝d3＝d4＝20mm。钢的力学参数为：弹性模量E＝210Gpa，泊松比ν＝0.3，ρ＝7900kg/m3。
S2.根据所述螺栓连接结构的3D几何模型，建立螺栓连接结构的有限元模型，包括以下步骤；
S21：根据所述被连接件的3D几何模型建立被连接件的有限元模型，如图5所示；
S22：如图6所示，将螺杆(3)剖分为外螺纹和三阶梯圆柱，分别划分有限元网格，使剖分面具有相同的网格，而后压缩重合节点使其成为一体，从而建立螺杆(3)的有限元模型；
S23：同样的，将螺母(4)剖分为内螺纹和空心圆柱，分别划分有限元网格，使剖分面具有相同的网格，而后压缩重合节点使其成为一体，从而建立螺母的有限元模型。
S3.根据所述螺栓连接结构的有限元模型进行接触有限元建模，并进行螺栓连接松动模拟计算，包括以下步骤：
S31：如图7所示，选择螺杆(3)的内部表面作为预紧截面，其法向沿螺杆轴线方向，在预紧截面上施加螺栓预紧力，初始预紧力的大小为10kN；
S32：如图8所示，建立四处摩擦接触对，接触对1为螺杆(3)的螺头下表面与上被连接板(1)上表面，接触对2为上被连接板(1)下表面与下被连接板(2)上表面，接触对3为下被连接板(2)下表面与螺母(4)上表面，接触对4为螺杆(3)外螺纹与螺母(4)内螺纹，采用有限滑移，切向设置为罚摩擦，摩擦系数设置为0.15，法向设置为硬接触；
S33：对下被连接板(2)短边(2-2)施加约束，使其固定，在上被连接板(1)短边(1-2)施加往复的正弦位移载荷以模拟基础激励，如图9所示，进行螺栓连接松动模拟计算，正弦位移载荷形式为δ＝δ0sin(2πft)，δ0为载荷幅值，f为载荷频率，设置δ0＝0.2mm，f＝1Hz。计算后提取螺栓预紧力变化曲线，如图10所示，螺栓预紧力随载荷循环次数的增加逐渐下降。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1.建立舱段对接螺栓连接结构的3D几何模型，所述螺栓连接结构包括被连接件和螺栓连接件，所述被连接件包括上被连接板(1)和下被连接板(2)，二者均为L形板，其长边(1-1)和(2-1)上对应位置分别设置有相同大小的圆孔，形成通孔；所述螺栓连接件包括螺杆(3)和螺母(4)；上被连接板(1)通过螺栓连接件与下被连接件(2)连接，螺杆(3)从一侧穿过上被连接板(1)和下被连接板(2)的圆孔，螺母(4)从另一侧拧紧在螺杆(3)上，所述螺栓连接件设置有螺纹；
S2.根据所述螺栓连接结构的3D几何模型建立螺栓连接结构的有限元模型；
S3.根据所述螺栓连接结构的有限元模型进行接触有限元建模，并进行螺栓连接松动模拟计算。
2.根据权利要求1所述的一种基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法，其特征在于，步骤S2中所述的根据螺栓连接结构的3D几何模型建立螺栓连接结构的有限元模型的具体方法包括：
S21：根据所述被连接件的3D几何模型建立被连接件的有限元模型；
S22：将螺杆(3)剖分为外螺纹和三阶梯圆柱，分别划分有限元网格，使剖分面具有相同的网格，而后压缩重合节点使其成为一体，从而建立螺杆(3)的有限元模型；
S23：将螺母(4)剖分为内螺纹和空心圆柱，分别划分有限元网格，使剖分面具有相同的网格，而后压缩重合节点使其成为一体，从而建立螺母(4)的有限元模型。
3.根据权利要求1或2所述的一种基础激励下的舱段对接螺栓连接松动模拟方法，其特征在于，步骤S3中根据所述的螺栓连接结构的有限元模型进行接触有限元建模，并进行螺栓连接松动模拟计算的具体方法包括：
S31：选择螺杆(3)的内部表面作为预紧截面，其法向沿螺杆(3)轴线方向，在预紧截面上施加螺栓预紧力；
S32：建立四处摩擦接触对，分别为螺杆(3)的螺头下表面与上被连接板(1)上表面、上被连接板(1)下表面与下被连接板(2)上表面、下被连接板(2)下表面与螺母(4)上表面以及螺杆(3)外螺纹与螺母(4)内螺纹，采用有限滑移，切向设置为罚摩擦，法向设置为硬接触；
S33：对下被连接板(2)短边(2-2)施加约束，使其固定，在上被连接板(1)短边(1-2)施加往复的正弦位移载荷以模拟基础激励，进行螺栓连接松动模拟计算，提取螺栓预紧力变化曲线。
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