CN110472324B - 一种螺栓选型方法及使用该方法获得的螺栓 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种螺栓选型方法，能够更准确的模拟螺栓连接刚度，有限元分析给出的螺栓横向和轴向载荷与实际接近。利用有限元分析得到螺栓载荷作为输入，再使用成熟可靠的经验公式进行校核选型，而不是直接使用有限元分析的得到的螺栓应力进行校核。充分利用了有限元法和经验公式各自的优点，提升了选型准确度。基于本发明的上述技术方案，在车型开发的概念阶段即可完成螺栓的校核优化。仅靠有限元仿真和经验公式计算就能达到合理的选型精度，无需任何物理试验，从而节省了车型开发成本，缩短了研发周期。

Description

一种螺栓选型方法及使用该方法获得的螺栓
技术领域
本发明涉及螺栓设计选型领域，特别涉及一种螺栓选型方法及使用该方法获得的螺栓。
背景技术
螺栓是机械领域最为常用的基础性零部件之一，对于关键位置的螺栓的选择需要严格遵循螺栓的设计及选型要求进行，选择合适的螺栓对于节省材料、增加构件的稳定和寿命至关重要。
现有技术中，螺栓的选型较为常见的方式是依赖机械设计手册给出的经验公式进行校核计算，但是经验公式通常需要给定明确的使用场景下螺栓所承受的轴向和横向载荷，而在面对多个螺栓复杂结构时，单个螺栓的所承受的轴向和横向载荷无法通过理论和经验方法获得，实际上要想获得精准的单个螺栓的轴向和横向载荷，仅能通过实际测量，但是上述手段在结构进行设计之初是无法实现的。因此在实际用中，只能做大致估算，导致选型偏于保守。
作为替代选型设计方法，有限元分析能够模拟螺栓连接结构在各种工况下的变形和应力，进而可得到满足设计要求的螺栓，但如果要保证螺栓应力结果精度足够，必须建立3D螺栓精细网格模型，螺栓连接的零件建立接触对，准确设置摩擦系数，还要设法模拟螺栓预紧力，计算中需要考虑多重非线性因素，必须反复设置调整参数试算才能保证精度和收敛性，建模复杂，操作繁琐，计算量大，因此所以上述这种精细仿真方案只能处理含少量螺栓的简单结构，并不适用于大量螺栓选型设计的计算分析。
因此为了更好上述有限元分析方法，较为便宜的处理计算普通型的螺栓，因此在上述方法的基础上，面对复杂结构的多螺栓通常进行有限元分析时通常要对螺栓连接做简化建模。当前的简化建模方式主要有两种。
第一种是全刚性单元方案，螺杆和螺栓头、螺母均使用刚性单元模拟。该方案建模更加简单，适用于大规模分析。该方案将螺栓连接简化为理想刚性连接，在分析时模型所采用的的连接刚度高于实际情况，且分析模型情况下刚性单元不具有质量，导致采用上述分析方案时完全忽略了螺栓自身质量以及实际连接刚度所带来的影响，特别上述误差在动力学分析中将造成更加严重的误差，表现更加明显。
第二种是弹性梁单元加刚性单元方案，具体而言使用弹性梁单元模拟螺杆，梁单元的横截面直径取螺栓公称直径，使用刚性单元模拟螺栓头和螺母，将螺杆模拟的弹性梁单元端点与螺孔周边结点相连。上述分析模型方案建模简单，适用于大规模分析，但是缺陷仍然很明显。在上述分析模型中，螺栓所固连的两个部件间连接刚度仅由分析模型中的弹性梁单元提供模拟，但对于实际使用过程中的紧螺栓连接，通常在预紧力的作用下，螺栓所连接的两部件接合面的连接强度分布并不均匀，靠近于螺栓公称直径范围内的区域紧密贴合，形成类似粘接的牢固连接，在这种情形下两部件间实际连接刚度远大于螺杆自身刚度；另，该分析模型中仅螺杆弹性梁单元具有质量，分析模型下模拟螺栓头和螺母的刚性单元不具有质量，导致螺栓模型质量比实际小，上述分析模型同样存在分析误差，而且上述误差在动力学分析过程汇总表现更加明显。
因此上述两种螺栓简化建模方法都不能精确的模拟螺栓的连接刚度，分析所获得螺栓载荷与实际偏差较大，再加上未充分考虑摩擦、接触和预紧力的影响，导致螺栓应力结果不准确，所以根据螺栓应力结果校核螺栓经常得到错误的选型方案，造成设计缺陷。
发明内容
针对上述情况，本发明之目的就是提供一种螺栓选型方法，目的在于经验公式法及有限元分析在实际使用中无法准确获得合适螺栓，螺栓选型、模型分析不准确的问题。
其技术方案是：
STP1、建立连接结构的有限元模型，包括螺栓孔对应区域，其中所述螺栓孔对应区域的周围布置两圈分析节点，其中外圈分析节点所对应的外接圆直径对应于螺栓所连接两部件结合面中粘结区所形成的范围，其中内圈分析节点所对应的外接圆直径为螺栓孔的实际直径；
STP2、建立螺栓结构有限元分析简化模型，其中螺杆设置为弹性梁单元，螺栓头、螺母为刚性单元；
STP3、增加分析模型中螺杆的横截面积，所增加的横截面积同时增加了连接区域和自身质量，用于补偿两部件两节刚度、刚性单元质量误差；
STP4、进行极限工况下有限元的强度分析，得到极限情况下螺杆梁单元的横向载荷、轴向载荷；
STP5、根据步骤四得到的螺栓横向和轴向载荷代入至经验公式计算所需的螺栓。
在上述或一些实施例中，所述连接结构的有限元模型中，绕螺栓孔区域分布多个多边形单元，所述多边形单元构成规则的四边形结构。
在上述或一些实施例中，所述多边形单元由外圈分析节点和内圈分析节点构成。
在上述或一些实施例中，所述多边形单元数目大于等于6.
在上述或一些实施例中，其中外圈分析节点所对应的外接圆直径为螺栓公称直径的2-3倍。
在上述或一些实施例中，所述圈分析节点所对应的外接圆直径是螺栓公称直径的2.5倍。
在上述或一些实施例中，当补偿两部件两节刚度、刚性单元质量误差时，用来模拟螺杆的弹性梁单元直径设置为螺栓公称直径的二倍。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：如果直接采用有限元分析计算螺栓应力进行选型，采用3D精细螺栓模型则工作量和计算量太大，操作设置过于繁琐；而采用简化模型则应力精度不足，难以保证选型正确。如果采用经验公式计算选型，因为缺少准确的螺栓载荷输入，只能大致估算载荷，选型结果通常过于保守。本发明提出一种改进的螺栓简化建模方案，能够更准确的模拟螺栓连接刚度，有限元分析给出的螺栓横向和轴向载荷与实际接近。利用有限元分析得到螺栓载荷作为输入，再使用成熟可靠的经验公式进行校核选型，而不是直接使用有限元分析的得到的螺栓应力进行校核。充分利用了有限元法和经验公式各自的优点，提升了选型准确度。
基于本发明的上述技术方案，在车型开发的概念阶段即可完成螺栓的校核优化。仅靠有限元仿真和经验公式计算就能达到合理的选型精度，无需任何物理试验，从而节省了车型开发成本，缩短了研发周期。
附图说明
图1为连接结构的分析模型中内、外圈及多边形单元的分布图。
图2为螺栓结构的分析模型示意图。
具体实施方式
为了更清楚和完整的说明本发明的核心构思，以下将结合具体的实施方案对本发明做进一步的描述和说明。需要注意的是，以下具体实施例旨在说明本发明的构思，并不意味着对本发明的实现方式作出限定，因此本发明的实现方式包括但不限于本申请文件所记载的内容，本领域技术人员跟据本发明构思所作出的替换和规避也应当被认为属于本发明所要求保护或不应当取得授权的范围。
在接下来的实例性描述中，本发明的实施例将对某电动车电池支架的安装螺栓进行校核选型，但本发明所提供的螺栓校核选型方法同样适用于其它螺栓连接结构。电动车电池支架通过预紧螺栓与车身连接，初步选定使用M14粗牙螺栓(螺栓公称直径为14mm)。螺栓校核考虑三个极限工况：制动、转向和颠簸。
下面对上述方案进行详细说明：
1.在有限元前处理软件中建立车身和电池支架的有限元模型。
按常规方法进行有限元建模，但需要注意螺栓孔周边要布置一圈形状规则的四边形单元，四边形单元的数目在6个以上，四边形单元数量越多其分析过程就越接近真实，统筹计算精度以及效率，本方案中采用6个多边形单元，这样螺栓孔周边就有内圈和外圈两圈节点，内圈直径为螺栓孔实际孔径，外圈的直径应为螺栓公称直径的2.5倍。
2.建立电池支架和车身的连接螺栓的简化有限元模型。
用弹性梁单元模拟螺栓杆，使用刚性单元模拟螺栓头和螺母。刚性单元将螺杆梁单元端点与螺孔周边两圈结点相连，以模拟螺栓头或螺母与孔边在预紧力作用下的紧密贴合。经验证明螺栓的有效压紧面积也是螺栓公称直径的2-3倍，而螺孔外圈节点的外接圆直径是螺栓公称直径的2.5倍，所以这种建模方案与实际压紧区域比较吻合。
3.设置螺栓杆梁单元的截面信息。
螺杆梁单元截面直径取螺栓公称直径的2倍。这样做的目的有两点。第一点是修正螺栓的连接刚度。螺栓的实际连接刚度并不仅仅由螺杆提供。实际上，在预紧力的摩擦力作用下，两部件接合面在大约2～3倍螺栓公称直径范围内紧密贴合，形成类似粘接的牢固连接，整个压紧贴合区域都能提供连接刚度。既然压紧贴合区为2-3倍螺栓公称直径，所以将将螺杆梁截面直径设置为公称直径的2倍，其连接刚度更符合实际情况。第二点是修正螺栓的质量。螺栓头和螺母都用无质量的刚性单元来模拟，也就是只有螺杆梁单元有质量，而螺栓头和螺母的质量被忽略掉了。将螺杆梁截面直径在螺栓公称直径基础上增加一倍，就使得梁单元的质量增加，补偿了螺栓头和螺母质量。这样在动力学分析中能够比较精确的体现螺栓质量影响，有利于仿真精度提升。
4.进行极限工况分析，输出螺杆梁单元的单元力。
对于电池支架螺栓，考虑三个极限工况：制动、转向和颠簸工况，分别施加载荷和约束条件进行分析。计算输出螺栓梁单元的各方向的单元力，即可得到螺栓所受的轴向力和横向力。制动和转向工况下，电池支架螺栓主要承受横向载荷；颠簸工况下，电池支架螺栓主要承受轴向载荷。
利用本发明所提出的螺栓简化建模方案，有限元分析给出的螺栓力结果比较精确。但因为在分析中忽略了预紧力、摩擦和接触的影响，螺杆梁单元的应力与螺栓实际应力相比仍有较大误差，仍无法直接用于螺栓校核选型。所以只利用有限元结果中提取螺栓轴向力和横向力，后续再利用经验公式校核选型。
5.利用经验公式进行校核选型。
给出螺栓的轴向力和横向力后，即可利用经验公式进行螺栓的校核选型。大量的工程应用已经证明了经验公式的可靠性，只要输入的螺栓轴向和横向载荷足够精确，经验公式就能给出精度合理的结果。
根据有限元分析结果，转向工况下，螺栓承受的最大横向外载荷Fp为1331N，根据经验公式，要求螺栓的保证载荷：
Figure BDA0002154706350000061
上式中，Ss为安全系数，具体设置值可参考机械工程手册。Kf为可靠性系数，一般取1.1-1.3；m为结合面数目；f为结合面摩擦系数。
制动工况下，电池支架螺栓承受的最大横向外载荷Fp为1892N,螺栓的保证载荷
Figure BDA0002154706350000062
颠簸工况下，电池支架螺栓承受的最大轴向向外载荷Fc为2131N，螺栓的保证载荷
Fb≥1.3F0×Ss＝1.3×(Fc+K×Fc)×Ss＝1.3×(2131+2131×1.8)×5＝38784N
上式中，Ss为安全系数，K为残余预紧力系数，具体设置值都可参考机械工程手册。
根据分析结果，电池支架连接螺栓的保证载荷需大于90185N。
6.根据步骤5得到的螺栓保证载荷要求，判断螺栓公称直径是否合适，并选定螺栓强度等级。
根据GB/T3098.1-2000《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》的所列出的粗牙螺纹螺栓保证载荷。M14的粗牙螺栓，强度等级达到10.9级，其保证载荷才能超过90185N。所以最终的选型结果是10.9级的M14粗牙螺栓。
本发明能够更准确的模拟螺栓连接刚度，有限元分析给出的螺栓横向和轴向载荷与实际接近。利用有限元分析得到螺栓载荷作为输入，再使用成熟可靠的经验公式进行校核选型，而不是直接使用有限元分析的得到的螺栓应力进行校核。充分利用了有限元法和经验公式各自的优点，提升了选型准确度。
基于本发明的上述技术方案，在车型开发的概念阶段即可完成螺栓的校核优化。仅靠有限元仿真和经验公式计算就能达到合理的选型精度，无需任何物理试验，从而节省了车型开发成本，缩短了研发周期。

Claims (9)

1.螺栓选型方法，其特征在于：
STP1、建立连接结构的有限元模型，包括螺栓孔对应区域，其中所述螺栓孔对应区域的周围布置两圈分析节点，其中外圈分析节点所对应的外接圆直径对应于螺栓所连接两部件结合面中粘结区所形成的范围，其中内圈分析节点所对应的外接圆直径为螺栓孔的实际直径；
STP2、建立螺栓结构有限元分析简化模型，其中螺杆设置为弹性梁单元，螺栓头、螺母为刚性单元；
STP3、增加分析模型中螺杆的横截面积，所增加的横截面积同时增加了连接区域和自身质量，用于补偿两部件两节刚度、刚性单元质量误差；
STP4、进行极限工况下有限元的强度分析，得到极限情况下螺杆梁单元的横向载荷、轴向载荷；
STP5、根据步骤四得到的螺栓横向和轴向载荷代入至经验公式计算所需的螺栓。
2.根据权利要求1所述的螺栓选型方法，其特征在于，所述连接结构的有限元模型中，绕螺栓孔区域分布多个多边形单元，所述多边形单元构成规则的四边形结构。
3.根据权利要求2所述的螺栓选型方法，其特征在于，所述多边形单元由外圈分析节点和内圈分析节点构成。
4.根据权利要求2或3所述的螺栓选型方法，其特征在于，所述多边形单元数目大于等于6。
5.根据权利要求4所述的螺栓选型方法，其特征在于，其中外圈分析节点所对应的外接圆直径为螺栓公称直径的2-3倍。
6.根据权利要求5所述的螺栓选型方法，其特征在于，所述外圈分析节点所对应的外接圆直径是螺栓公称直径的2.5倍。
7.根据权利要求5或6所述的螺栓选型方法，其特征在于，当补偿两部件两节刚度、刚性单元质量误差时，用来模拟螺杆的弹性梁单元直径设置为螺栓公称直径的2倍。
8.一种螺栓，其特征在于，采用权利要求1-3任一所述选型方法所获得的螺栓。
9.一种螺栓，其特征在于，采用权利要求5-7任一所述选型方法所获得的螺栓。
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