CN111241729B - 一种用于螺纹连接结构强度和防松的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于螺纹结构强度和防松的监测处理方法，属于航空航天的螺纹连接技术领域，解决了现有技术中螺纹连接结构强度和防松监测处理过程中工作量大、难度高的问题。本发明的监测处理方法步骤包括步骤1：确定螺纹连接结构尺寸参数，进行参数化建模；步骤2：螺纹连接结构六面体网格划分；步骤3：确定装配关系，对螺纹连接结构进行装配；步骤4：进行螺纹连接结构强度分析，对螺帽、螺杆进行调整；步骤5：进行螺纹连接结构防松分析，对螺纹连接结构进行调整。本发明的监测处理方法，通过螺纹连接结构六面体网格划分，生成包含螺纹细节的高精度螺纹连接结构网格模型，用于螺纹连接强度和防松监测处理，提高了监测处理精度。

Description

一种用于螺纹连接结构强度和防松的监测方法

技术领域

本发明涉及航空航天的螺纹连接技术领域，尤其涉及一种用于螺纹连接结构强度和防松的监测方法。

背景技术

相对于传统行业，对于应用到航空航天领域的机械设备必须满足高强度和高精度要求，尤其是在设备中用到的螺纹连接结构，必须保证其具有较高的可靠性，以满足无人机、航天器等航空航天设备应对严酷和复杂环境的要求。而在工程实际中，由于外载荷的振动变化、材料高温蠕动等会造成摩擦力减小，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹连接松动，如此反复作用，螺纹连接就会松弛而导致失效，因此必须进行防松处理；由于应力的作用，螺纹连接也会发生强度失效，强度失效意味着结构或设备必须退役，否则会影响设备正常工作，甚至造成事故，对航空航天事业造成不可挽回的损失。因此，对螺纹连接结构进行强度和防松监测处理十分必要。

有限元分析是一种求解微分方程的数值计算过程，也是工程中常用的技术手段。该方法的关键技术之一是将分析结构离散成合理的网格模型，对于三维结构而言，六面体单元组成的网格模型具有求解精度和效率两方面的综合优势。将有限元分析应用到对螺纹连接结构的强度和防松监测，与传统测量计算的方式相比提高了监测的准确性，对于螺栓三维结构而言，由于螺栓牙形及螺旋升角的存在使得结构划分纯六面体单元存在困难，即使可以划分完成，其建模工作量巨大，建模效率低下的缺点也严重限制该方法达到工程研究的要求。

针对螺纹连接结构的有限元网格划分经历了：(1)二维无升角模型；(2)三维四面体自由划分；(3)“粘接”式六面体网格；(4)六面体过渡网格。尽管发展到现在针对螺纹连接结构的六面体过渡网格可以实现，但其仍需要在专业网格划分软件中进行繁琐的人工操作，导致对螺纹连接结构强度和防松监测处理过程中工作量大，难度高。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于航空航天的螺纹连接强度和防松的监测方法，用以解决现有技术中螺纹连接结构强度和防松监测处理过程中工作量大、难度高的问题。

本发明实施例提供了一种用于螺纹连接结构强度和防松的监测方法，步骤包括：

步骤1：确定螺纹连接结构尺寸参数，进行参数化建模；

步骤2：螺纹连接结构六面体网格划分；

步骤3：确定装配关系，对螺纹连接结构进行装配；

步骤4：进行螺纹连接结构强度分析，对螺帽、螺杆进行调整；

步骤5：进行螺纹连接结构防松分析，对螺纹连接结构进行调整。

进一步，所述步骤2中，所述螺纹连接结构六面体网格划分步骤包括：

步骤2.1：确定网格划分参数，对螺栓杆部进行六面体过渡网格划分。

进一步，所述步骤1中，所述螺纹连接结构尺寸参数包括螺栓公称直径d、螺栓头部厚度k、螺栓杆部长度L、螺纹部分长度b、螺栓头部等效直径e。

进一步，所述步骤1中，所述参数化建模包括：

步骤1.1：螺栓头部建模；

步骤1.2：基于螺栓头部位置创建螺栓杆部模型；

步骤1.3：分割螺纹部分。

进一步，所述步骤1中，所述螺栓杆部模型不含螺纹。

进一步，所述步骤2.1中，对螺栓杆部进行六面体过渡网格划分步骤包括：

步骤2.1.1：绘制矩形与圆形的过渡网格。

进一步，所述步骤2.1中，对螺栓杆部进行六面体过渡网格划分步骤还包括：

步骤2.1.2：设置螺栓周向边界、螺栓头部边界、螺栓杆部边界、螺纹部分边界网格划分份数。

进一步，所述步骤2.1.2中，所述过渡网格大小比例为1:3。

进一步，所述过渡网格大小比例为螺牙部分小网格尺寸与螺杆中心大网格尺寸的比值。

进一步，所述步骤1中，所述螺纹连接结构包括螺栓和螺母；所述螺栓包括螺栓杆部、螺栓头部。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)对螺纹连接结构进行参数化建模时，螺栓杆部省略螺纹，与现有对含有螺纹的螺栓杆部建模方式相比，将螺纹部分在建模过程中省略，简化了的建模的难度与复杂性；

(2)对螺纹连接结构进行六面体网格划分过程中，对螺栓杆部进行六面体过渡网格划分，不需对螺纹部分进行网格划分操作，简化了网格划分过程，降低了工作难度；

(3)根据螺纹连接结构尺寸参数，通过螺牙形线方程与螺纹部分横截面方程，计算得到螺牙部分网格节点坐标，避免了对螺纹部分进行网格划分，减少了网格划分数量，减小了工作量；

(4)通过对螺栓杆部六面体过渡网格划分，结合螺牙部分网格节点坐标，对螺栓杆部网格节点进行偏移，得到包含螺纹细节的六面体网格模型，省略了螺纹网格划分步骤，简化了网格划分过程，降低了工作难度；

(5)通过生成的高精度螺纹连接结构网格模型，包含螺纹升角、螺牙根部圆角等螺纹细节，与无螺纹细节的网格模型相比，将该模型用于螺纹连接强度和防松监测处理，提高了监测处理精度。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为螺纹连接结构的螺栓杆部模型；

图2为螺纹连接结构的螺栓杆部过渡网格模型；

图3为螺纹连接结构的螺栓头部网格示意图；

图4为螺纹连接结构的螺栓杆部网格模型；

图5为螺纹连接结构的螺牙网格细节示意图；

图6为螺纹连接结构的螺栓和螺母装配网格模型；

图7为螺纹连接结构强度分析结果；

图8为螺纹连接结构螺栓张紧力随振动周期的变化趋势。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种用于航空航天的螺纹连接结构强度和防松的监测方法，步骤包括：步骤1：确定螺纹连接结构尺寸参数，进行参数化建模；步骤2：螺纹连接结构六面体网格划分；步骤3：确定装配关系，对螺纹连接结构进行装配；步骤4：进行对螺纹连接结构强度分析，对螺帽、螺杆进行调整；步骤5：进行对螺纹连接结构防松分析，对螺纹连接结构进行调整。

具体地，螺纹连接结构六面体网格划分步骤包括步骤2.1：根据确定的网格划分参数，对不包含螺纹细节的螺栓杆部进行六面体网格划分，实现螺纹连接结构螺栓杆部的六面体过渡网格划分；步骤2.2：输出螺栓杆部网格节点坐标，判断坐标是否在螺牙处，若网格节点坐标在螺牙处，则执行步骤2.3进行螺牙处坐标变换，若网格节点坐标不在螺牙处，则保留原有坐标；步骤2.3：根据所选的螺纹结构参数，分析螺牙形线方程与螺纹部分横截面方程，计算得到螺牙部分网格节点坐标；步骤2.4：对螺杆杆部网格节点进行偏移，更新原有的节点坐标，即可完成螺纹连接结构六面体网格的自动化分。

与现有技术相比，本实施例中，对螺纹连接结构进行参数化建模时，螺栓杆部省略螺纹，与现有对含有螺纹的螺栓杆部建模方式相比，将螺纹部分在建模过程中省略，简化了的建模的难度与复杂性；对螺纹连接结构进行六面体网格划分过程中，对螺栓杆部进行六面体过渡网格划分，不需对螺纹部分进行网格划分操作，根据螺纹连接结构尺寸参数，通过螺牙形线方程与螺纹部分横截面方程，计算得到螺牙部分网格节点坐标，结合螺牙部分网格节点坐标，对螺栓杆部网格节点进行偏移，得到包含螺纹细节的六面体网格模型，省略了螺纹网格划分步骤，简化了网格划分过程，降低了工作难度。

进一步，本实施例中，设置螺纹连接结构的六面体网格自动划分方法的运行条件为：(1)运行环境：计算机使用Inter Core i7-7700 CPU 3.60GHz，16GB内存；(2)运行软件：基于本发明方法的Abaqus用户自定义软件。步骤1中针对螺纹连接结构的参数化建模的步骤包括：

步骤1.1：螺栓头部建模；在Abaqus软件中基于python语言的命令流创建草图平面，在所创建的草图平面中，根据螺栓头部等效直径e创建圆形截面，退出草图进行拉伸特征，拉伸厚度为螺栓头部厚度k，形成螺栓头部的三维结构。

步骤1.2：基于螺栓头部位置创建螺栓杆部模型；基于内部标号选取螺栓头部拉伸后表面创建草图，在草图中根据螺栓公称直径创建圆形截面，退出草图后进行拉伸命令，拉伸长度为螺栓长度L，形成螺栓杆部三维图形，螺栓杆部和螺栓头部组成螺栓整体。

步骤1.3：分割螺纹部分；以螺栓杆部端面为基准面偏移创建平面，偏移量为螺纹部分长度b，选取螺栓杆部，使创建的平面分割螺栓杆部的螺纹部分长度光杆和不带螺纹部分长度光杆，其效果如图1所示。

本实施例中，对螺纹连接结构进行参数化建模时，螺栓杆部省略螺纹，与现有对含有螺纹的螺栓杆部建模方式相比，将螺纹部分在建模过程中省略，简化了的建模的难度与复杂性。

进一步，本实施例中，步骤2.1中根据确定的网格划分参数，对不包含螺纹细节的螺栓杆部进行六面体网格划分，需要说明的是，不包含螺纹细节是指没有螺纹，实现螺纹连接结构螺栓杆部的六面体过渡网格划分，对螺纹连接结构进行六面体网格划分过程中，对螺栓杆部进行六面体过渡网格划分，不需对螺纹部分进行网格划分操作，简化了网格划分过程，降低了工作难度；步骤2.1中是对没有螺纹的螺栓杆部进行的六面体网格划分，即不包括对螺牙的螺牙的处理，并没有完成对螺栓杆部的六面体网格划分，因而称之为六面体过渡网格划分，对不包含螺纹细节的螺栓杆部进行六面体网格划分具体步骤包括：

步骤2.1.1：选取螺栓顶部平面创建草图平面，对网格扫掠平面进行划分。在平面上绘制矩形与圆形的二维过渡网格，过渡网格大小比例为1：3，过渡网格大小比例为螺牙部分小网格尺寸与螺杆中心大网格尺寸的比值。螺栓周向网格边界线夹角α为：

其中，n_theta为螺栓周向网格划分份数。

示例性地，设置螺栓周向划分份数为48等分，则网格边界线夹角α＝7.5°。

步骤2.1.2：选取螺栓头部边界、螺栓杆部边界、螺纹部分边界分别进行网格划分份数设置，其数值分别为：螺栓头部划分份数为n_head、螺栓杆部划分份数为n_rod、螺牙划分份数为n_thread，其中螺牙划分份数n_thread计算公式为：

示例性地，取螺栓螺牙部分长度b为12mm，螺距pitch＝1.5mm，螺距份数n_pitch为16等份，则螺栓螺牙部分划分份数n_thread＝128。

示例性地，螺纹连接结构采用M10规格螺栓，螺纹连接结构建模与网格划分参数设置如下表：

参数	值	参数	值
				d	10	ntheta	48
k	6.4	nhead	5
				e	16	nrod	40
b	12	npitch	16
				pitch	1.5	R0	5.5
m	8.4	R	12
				D1	10	D2	15

设置好网格划分数量后，对螺栓杆部进行网格划分，得到模型如图2-图3所示。

进一步，本实施例中，步骤2.2中输出螺栓杆部网格节点坐标，根据所设置的螺栓螺纹部分参数，如螺纹部分长度等，得到螺牙部分空间位置坐标，用空间位置坐标与输出的网格节点坐标比对，判断螺栓杆部网格节点坐标是否在螺牙处，若螺栓杆部网格节点坐标在螺牙处，则执行步骤2.3进行螺牙处坐标变换，若网格节点坐标不在螺牙处，则保留原有坐标输出螺栓基体网格节点坐标；其中输出螺栓杆部网格节点坐标，利用python语言读取各个节点的空间坐标信息，将节点编号以及空间三坐标写入一个空的矩阵中，示例性地，模型共有n个节点，则矩阵大小为[n×4]。利用节点编号，即矩阵的第一列写入一个循环，对矩阵中每一行进行判断，判断其位置是否处于螺牙部分，若是则进入下层循环，进行坐标变换，若否，则继续执行，进行下一个节点的判断。

进一步，本实施例中，步骤2.3中根据所选的螺纹结构参数，分析螺牙形线方程与螺纹部分横截面方程，计算得到螺牙部分网格节点坐标，避免了对螺纹部分进行网格划分，减少了网格划分数量，减小了工作量。对于标准60°的三角形螺纹，螺纹螺牙行线方程为：

其中：r、θ为螺栓横截面内极坐标中的半径与角度，d为公称直径，P为螺距，H为螺牙高度，ρ为螺牙根部圆角半径，θ₁、θ₂为螺栓横截面内的特征角度。

示例性地，螺栓为M10规格粗牙螺纹，即螺距P＝1.5，因而

则螺纹形线方程为：

由此可计算出螺纹部分节点的柱坐标(r，θ，z)。其中z坐标为原始节点的z坐标。

进一步，本实施例中，步骤2.4对螺栓杆部网格节点进行偏移中，螺纹部分原始坐标为(r₀，θ₀，z₀)，为获得螺纹部分原始坐标，需要在螺栓端面建立柱坐标系，读取节点分别在r，θ，z三个方向的坐标，即为原始坐标(r₀，θ₀，z₀)，在步骤2.3中计算出的螺纹部分节点的柱坐标即螺纹部分实际坐标(r，θ，z)，两者相减得到螺纹部分坐标偏移量(Δr,Δθ,Δz)，根据螺纹部分坐标偏移量(Δr,Δθ,Δz)对螺栓杆部网格节点进行偏移，得到含有螺牙特征的网格模型，完成螺纹连接结构的六面体网格自动划分。得到的网格模型如图4-图5所示。通过对螺栓杆部六面体过渡网格划分，结合螺牙部分网格节点坐标，对螺栓杆部网格节点进行偏移，得到包含螺纹细节的六面体网格模型，省略了螺纹网格划分步骤，简化了网格划分过程，降低了工作难度。

为了实现螺母与螺栓的装配，本实施例还进步包括步骤3：螺母部分同螺栓一样进行六面体网格划分后，根据装配参数，确定装配关系，对螺母进行平移与旋转，完成螺纹连接结构六面体网格的自动化分与装配，生成高精度螺纹连接结构网格模型。

示例性地，被连接件的厚度分别为D₁＝10mm，D₂＝15mm，则螺母需要沿轴线平移的距离为：

Δx＝D₁+D₂＝25mm

螺母需要绕轴线旋转角度为：

螺母与螺栓装配效果如图6所示。

本实施例中，在建模过程中忽略螺牙部分的细节，对螺栓杆部进行建模与网格划分，再通过坐标变换的方法得到包含螺牙细节的螺纹连接结构有限元网格模型，先进行不含螺纹细节的螺栓杆部的六面体网格过渡划分，再对包含螺牙细节的部分进行坐标变换，得到螺纹连接结构的六面体网格划分模型，有效地避免了螺纹结构建模上的复杂性，针对节点进行编辑，提高了网格划分的效率。

进一步，利用步骤3生成的高精度螺纹连接结构网格模型，导入Abaqus软件中，进行步骤4：进行螺纹连接结构强度分析，根据分析结果，对螺帽、螺杆进行调整；若最大应力发生在螺帽根部圆角位置，则增大螺杆直径或螺帽根部圆角半径；若最大应力发生在螺牙根部，则增大螺杆直径。由于使用高精度的螺纹连接结构网格模型，可以得到更高精度的螺牙根部局部的应力结果，如图7所示，仿真结果能够对螺纹连接结构进行刚强度评估，为连接件的设计选型、断裂分析提供数据支撑。

进一步，利用步骤3生成的高精度螺纹连接结构网格模型，导入Abaqus软件中，进行步骤5：进行螺纹连接结构防松分析，根据分析结果，对螺纹连接结构进行调整。需要说明的是，螺纹连接结构分为单个连接结构和多个连接结构，对于单个连接结构，根据计算结果选用不会发生松动的预紧力对单个连接结构进行预紧，对于多个连接结构，根据计算结果选用不会发生松动的预紧力对单个连接结构进行预紧或调整螺纹连接结构件的案子位置、分布形式来进行防松。进行螺纹连接结构防松分析，得到螺栓张紧力随振动周期的变化趋势，如图8所，仿真结果可对实际结构进行松动的预测和评估，可以为各种类型的需要螺纹结构件装配的产品提供防松数据支撑。

本发明的螺纹连接结构强度和防松的监测处理方法，可快捷高效地自动生成包含螺纹细节的六面体网格模型，该模型可用于螺纹连接结构的强度分析、防松分析。在螺纹连接结构的强度、防松分析中，关键在于包含有螺纹细节的高精度六面体网格模型的建立，这一步骤最花费时间。现有软件中对于不规则的螺纹结构无法实现六面体网格自动化分，需要在专业网格划分软件中进行大量繁琐的网格节点复制、粘贴、旋转、合并节点等操作，工作量大且耗时较长，而且对于不同尺寸规格螺纹结构还需要重新进行划分工作。利用本发明的步骤2：螺纹连接结构六面体网格划分，网格生成时间短，一般在2～3分钟内；全自动划分，不需要人为操作；采用参数化建模适应性广，不仅仅针对某种特定尺寸的螺纹结构；采用六面体网格映射式划分，在降低了螺纹连接结构仿真分析的难度与时间成本的同时，保证仿真精度。

本发明的螺纹连接结构强度和防松的监测处理方法，对螺纹连接结构进行参数化建模时，螺栓杆部省略螺纹，与现有对含有螺纹的螺栓杆部建模方式相比，将螺纹部分在建模过程中省略，简化了的建模的难度与复杂性；对螺纹连接结构进行六面体网格划分过程中，对螺栓杆部进行六面体过渡网格划分，不需对螺纹部分进行网格划分操作，简化了网格划分过程，降低了工作难度；根据螺纹连接结构尺寸参数，通过螺牙形线方程与螺纹部分横截面方程，计算得到螺牙部分网格节点坐标，避免了对螺纹部分进行网格划分，减少了网格划分数量，减小了工作量；通过对螺栓杆部六面体过渡网格划分，结合螺牙部分网格节点坐标，对螺栓杆部网格节点进行偏移，得到包含螺纹细节的六面体网格模型，省略了螺纹网格划分步骤，简化了网格划分过程，降低了工作难度；通过生成的高精度螺纹连接结构网格模型，包含螺纹升角、螺牙根部圆角等螺纹细节，与无螺纹细节的网格模型相比，将该模型用于螺纹连接强度和防松分析，为连接件的设计选型、断裂分析、装配的产品提供数据支撑。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于螺纹连接结构强度和防松的监测处理方法，其特征在于，步骤包括：

步骤1：确定螺纹连接结构尺寸参数，进行参数化建模；

步骤2：螺纹连接结构六面体网格划分；

步骤3：确定装配关系，对螺纹连接结构进行装配；

步骤4：进行螺纹连接结构强度分析，对螺帽、螺杆进行调整；若最大应力发生在螺帽根部圆角位置，则增大螺杆直径或螺帽根部圆角半径；若最大应力发生在螺牙根部，则增大螺杆直径；

步骤5：进行螺纹连接结构防松分析，对螺纹连接结构进行调整；

所述步骤2中，所述螺纹连接结构六面体网格划分步骤包括：

步骤2.1：根据确定的网格划分参数，对不包含螺纹细节的螺栓杆部进行六面体网格划分；步骤2.2：输出螺栓杆部网格节点坐标，判断坐标是否在螺牙处，若网格节点坐标在螺牙处，则执行步骤2.3进行螺牙处坐标变换，若网格节点坐标不在螺牙处，则保留原有坐标；步骤2.3：根据所选的螺纹结构参数，分析螺牙形线方程与螺纹部分横截面方程，计算得到螺牙部分网格节点坐标；步骤2.4：对螺杆杆部网格节点进行偏移，更新原有的节点坐标，完成螺纹连接结构六面体网格的自动化分；

所述步骤2.1中，对螺栓杆部进行六面体过渡网格划分步骤包括：

步骤2.1.1：绘制矩形与圆形的过渡网格；

步骤2.1.2：设置螺栓周向边界、螺栓头部边界、螺栓杆部边界、螺纹部分边界网格划分份数。

2.根据权利要求1所述的一种用于螺纹连接结构强度和防松的监测处理方法，其特征在于，所述步骤1中，所述螺纹连接结构尺寸参数包括螺栓公称直径d、螺栓头部厚度k、螺栓杆部长度L、螺纹部分长度b、螺栓头部等效直径e。

3.根据权利要求2所述的一种用于螺纹连接结构强度和防松的监测处理方法，其特征在于，所述步骤1中，所述参数化建模包括：

步骤1.1：螺栓头部建模；

步骤1.2：基于螺栓头部位置创建螺栓杆部模型；

步骤1.3：分割螺纹部分。

4.根据权利要求3所述的一种用于螺纹连接结构强度和防松的监测处理方法，其特征在于，所述步骤1中，所述螺栓杆部模型不含螺纹。

5.根据权利要求1所述的一种用于螺纹连接结构强度和防松的监测处理方法，其特征在于，所述步骤2.1.2中，所述过渡网格大小比例为1:3。

6.根据权利要求5所述的一种用于螺纹连接结构强度和防松的监测处理方法，其特征在于，所述过渡网格大小比例为螺牙部分小网格尺寸与螺杆中心大网格尺寸的比值。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种用于螺纹连接结构强度和防松的监测处理方法，其特征在于，所述步骤1中，所述螺纹连接结构包括螺栓和螺母；所述螺栓包括螺栓杆部、螺栓头部。