CN111444654B - 一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法，包括以下步骤S1：创建螺栓虚拟网格模型，S2：生成预紧梁单元，对螺栓施加轴向预紧力，S3：生成表征螺栓力学性能的梁单元，S4：读取碰撞工况下，螺栓的历史载荷输出曲线，根据螺栓失效准则，将结果与许用安全载荷进行对比，并判断螺栓是否有断裂风险，S5：对有断裂风险的螺栓添加失效参数，模拟碰撞后螺栓断裂的虚拟仿真情况。本方法创建的螺栓虚拟网格模型的仿真程度高，能有效评价在碰撞工况下螺栓是否断裂的问题，同时还能模拟螺栓断裂后从安装孔脱出的效果。
Description
技术领域
本发明属于汽车虚拟性能研发技术领域，具体涉及一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法。
背景技术
中国保险汽车安全指数(简称C-IASI)测试评价体系作为车型定价的最重要因子，从消费者立场出发，从汽车保险视角，围绕车险事故中“车损”、“人伤”，开展耐撞性与维修经济性、车内乘员安全、车外行人安全、车辆辅助安全四项指数的测试评价。
碰撞试验作为中国保险汽车安全指数车内乘员安全指数的一个试验工况，用于考察在碰撞的事故中由于仅有小部分车身参与碰撞。在发生碰撞事故时，通常为保护乘员安全而设计的主要受力构件纵梁完全不能或者很少能够起作用，从未导致大多数车体纵梁或者副车架无法有效参与变形吸能，使得大部分车型被撞击侧的底盘零件会发生大变形失效和断裂。其中螺栓作为广泛应用的可拆卸紧固件，在车辆底盘等关键部位装配时经常被使用，车辆被碰撞时关键部位选用的螺栓也会发生断裂，因此螺栓的选择对车辆安全性能起着至关重要的作用。在实际工程中，对于关键部位选用的螺栓会进行强度的校核和选型，但是在车辆开发阶段或者车辆评估阶段，需要先进行螺栓的断裂评估。
现有技术中，在评价螺栓孔周边的钣金强度时，将螺栓和螺母简化为ConstrainedNodal Rigid Body(刚性连接单元)，constrained nodal rigid body连接的直径和法兰盘的直径保持一致，如图2中右侧所示，这种简化方法的优点是适用于大规模分析，缺点是不能用于预测螺栓断裂风险以及模拟螺栓断裂后从安装孔脱出的效果。
发明内容
本发明拟从一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法出发，能比较精确的评判车身关键连接部分的螺栓断裂风险，同时还能模拟螺栓断裂后从安装孔脱出的效果。
为此，本发明所采用的技术方案为：一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法，包括以下步骤：
S1：创建螺栓虚拟网格模型，在有限元前处理软件中，根据输入螺栓的几何外轮廓尺寸参数，批量创建成对螺杆和螺母的螺栓虚拟网格模型，并对该螺栓虚拟网格模型赋予刚体材料；
S2：生成预紧梁单元，对螺栓施加轴向预紧力，在有限元前处理软件的LS-DYNA模块中采用ELFORM＝9号梁单元将该梁单元两端节点与S1中创建的螺栓网格模型端面中心节点连接，再通过对ELFORM＝9号梁单元使用关键字*Intial Axial Force Beam对螺栓盘头施加轴向预紧力，最后通过关键字*Define Element Death Beam Set删除预紧梁单元；
S3：生成表征螺栓力学性能的梁单元，将S1中创建的螺栓网格模型向内偏移生成螺栓网格偏移模型，再采用ELFORM＝1号梁单元将该梁单元两端节点与螺栓偏移网格模型端面中心节点连接，最后使用关键字*Tied Shell Edge to Surface Beam Offset将螺栓偏移网格模型与螺栓虚拟网格模型连接；
S4：读取碰撞工况下，螺栓的历史载荷输出曲线，根据螺栓失效准则，将结果与许用安全载荷进行对比，并判断螺栓是否有断裂风险；
S5：对有断裂风险的螺栓添加失效参数，模拟碰撞后螺栓断裂的虚拟仿真情况。
作为上述方案的优选，所述步骤S1中螺栓的几何外轮廓尺寸参数包括定参数和变参数，变参数包括螺栓盘头直径、螺栓压边大小、螺栓的螺杆长度、螺帽直径、螺帽压边大小和螺帽的螺杆长度，定参数包括螺栓的公称直径和螺栓盘头厚度。
进一步优选为，步骤S1中几何外廓尺寸参数中螺栓的螺杆长度小于靠近螺栓盘头的被连接件厚度,螺帽的螺杆长度小于靠近螺帽的被连接件厚度。由于建立的网格模型为刚性模型，几乎无变形量，当单边螺杆长度小于靠近边被连接件的厚度时，受力载荷能传递到表征螺栓力学性能的梁单元上。
进一步优选为，所述步骤S2中轴向预紧力通过标准QC/T 518查得的螺栓的预紧扭矩转换而成，其转换与螺栓直径、螺距盘头摩擦系数、螺杆摩擦系数有关。
进一步优选为，所述步骤S4中根据螺栓的失效准则判断螺栓是否有断裂风险时采用第四强度理论。
进一步优选为，所述步骤S4中许用安全载荷为螺栓最小许用拉伸载荷，其值在GB/T 3098.1-2000～GB/T 3098.17-2000标准中根据螺栓的公称直径、牙距和强度等级查到具体的数值。
进一步优选为，所述步骤S4中的螺栓失效准则为在碰撞工况下，螺栓既受到横向剪切载荷，又同时受到轴向拉压载荷，螺栓综合受力状态与单点应力状态下同时受拉压应力和垂直面受剪切的应力状态类似，该应力状态下根据第四强度理论计算出等效应力为
同理能得到螺栓等效载荷的计算公式
进一步优选为，所述步骤S4中螺栓的历史载荷输出曲线中是以时间横坐标，螺栓受到的横向载荷与剪切载荷为纵坐标，具体包括轴向载荷FD、剪切载荷FJ1和剪切载荷FJ2，为方便与安全载荷比较，将横向载荷与两个垂直方向的剪切载荷合成为等效载荷
进一步优选为，所述步骤S5中失效参数为安全系数乘上许用拉伸载荷，所述安全系数按照设计风险等级选择。
本发明的有益效果：
(1)相比较传统的螺栓建立模型，本方法在建立模型时，采用输入螺栓的几何外轮廓尺寸参数的方式，批量自动建立成对的螺栓虚拟网格模型，提高了建模的效率；
(2)对于实际安装时拧紧螺栓的操作，采用的是生成预紧梁单元，再对预紧梁单元添加轴向预紧力的方法，模拟出在拧紧过程中螺栓与被连接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力，对螺栓及其相关结构力学响应更为准确；
(3)本方法在表征螺栓的力学性能时，用一根表征螺栓力学性能的梁单元去表征整个螺栓螺母的力学性能，将复杂问题简化处理，使计算机的处理速度得到提高；
(4)本方法中在评判螺栓是否断裂时，充分考虑碰撞工况下，螺栓同时受到横向剪切和轴向拉压的综合受载情况，能有效的预测在实际碰撞工况下选用该规格的螺栓是否有断裂风险；
(5)本方法对于螺栓盘头部分精确建模，通过盘头与被连接件之间接触力传递，能模拟螺栓断裂后盘头从安装孔脱出的效果。
附图说明
图1为本发明的实施过程图。
图2为本发明(左)与现有技术(右)的对比图。
图3为螺栓虚拟网格模型的示意图一。
图4为螺栓虚拟网格模型的示意图二。
图5为螺栓连接时几何外轮廓尺寸参数的示意图。
图6为电动汽车上电池包安装螺栓的模型图。
图7为图5中I的放大网格图。
图8为单点应力状态下受拉压应力垂与直面受剪切的应力状态。
图9为电动汽车上电池包安装螺栓轴向载荷FD曲线图。
图10为电动汽车上电池包安装螺栓剪切载荷FJ1曲线图。
图11为电动汽车上电池包安装螺栓剪切载荷FJ2曲线图。
图12为电动汽车上电池包安装螺栓剪切合成载荷曲线图。
图13为电动汽车上电池包安装螺栓等效载荷曲线图。
图14为添加失效参数的卡片图。
具体实施方式
下面通过电动汽车上电池包安装螺栓的实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
如图1-图14所示，一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法，具体包步骤如下：
S1：创建螺栓虚拟网格模型，在有限元前处理软件中，根据输入螺栓的几何外轮廓尺寸参数，批量创建成对螺杆和螺母的螺栓虚拟网格模型，由于螺帽与螺杆几何尺寸相对于正常网格划分尺寸较小，为不影响整体模型计算时间步长，将螺栓虚拟网格模型赋予刚体材料。
其中几何外轮廓尺寸参数包括定参数和变参数，变参数包括螺栓盘头直径φA、螺栓压边大小XA、螺栓的螺杆长度LA、螺帽直径φB、螺帽压边大小XB和螺帽的螺杆长度LB，定参数包括螺栓的公称直径和螺栓盘头厚度。
如图4所示，在创建螺栓虚拟网格模型时还需要注意螺栓的螺杆长度LA小于靠近螺栓盘头的被连接件厚度SA,螺帽的螺杆长度LB小于靠近螺帽的被连接件厚度SB。
S2：生成预紧梁单元，施加螺栓轴向轴向力，在有限元前处理软件的LS-DYNA模块中采用ELFORM＝9号梁单元将该梁单元两端节点与S1中创建的螺栓网格模型端面中心节点连接，再通过对ELFORM＝9号梁单元使用关键字*Intial Axial Force Beam对螺栓盘头施加轴向预紧力，最后通过关键字*Define Element Death Beam Set删除预紧梁单元，删除预紧梁单元为了防止分担后面的真实梁单元所受载荷。
其中轴向预紧力通过标准QC/T 518查得的螺栓的预紧扭矩转换而成，其转换与螺栓直径、螺距盘头摩擦系数、螺杆摩擦系数有关。表1中给出了常用螺栓的预紧力大小。
表1不同规格螺栓预紧力大小
S3：生成表征螺栓力学性能的梁单元，将S1中创建的螺栓网格模型向内偏移生成螺栓网格偏移模型，再采用ELFORM＝1号梁单元将该梁单元两端节点与螺栓网格偏移模型端面中心节点连接，最后使用关键字*Tied Shell Edge to Surface Beam Offset将偏移螺栓与模型螺栓连接，如图6和图7所示。
S4：读取碰撞工况下，螺栓的历史载荷输出曲线，根据螺栓失效准则，将结果与许用安全载荷进行对比，并判断螺栓是否有断裂风险。
其中许用安全载荷为螺栓最小许用拉伸载荷，其值在GB/T 3098.1-2000～GB/T3098.17-2000标准中根据螺栓的规格能查到具体的数值。表2给出了常用粗牙螺栓的机械性能。
表2粗牙螺栓机械性能
| 螺栓规格 | 拉伸载荷 | 拉伸保证载荷 | 剪切保证载荷 |
| M8(8.8级) | 29.2KN | 21.1KN | 19KN |
| M8(10.9级) | 38.1KN | 30.4KN | 22KN |
| M10(8.8级) | 46.4KN | 33.7KN | 27KN |
| M10(10.9级) | 60.3KN | 48.1KN | 36KN |
螺栓失效准则为在碰撞工况下，螺栓既受到横向剪切载荷，又同时受到轴向拉压载荷，螺栓受力综合载荷与单点应力状态下同时受拉压应力和垂直面受剪切的应力状态类似，如图8所示，该应力状态下根据第四强度理论计算出等效应力为
由于σ1＝σ，σ2＝τ，σ3＝-τ，代入将等效应力简化为
同理能得到螺栓等效载荷的计算公式
如图9、图10、图11所示，螺栓的历史载荷输出曲线中是以时间横坐标，螺栓受到的横向载荷与剪切载荷为纵坐标，具体包括轴向载荷FD、剪切载荷FJ1和剪切载荷FJ2，为方便与安全载荷比较，先将剪切载荷FJ1和剪切载荷FJ2按照力的合成公式
合成为一个剪切载荷，如图12所示,再将横向载荷与剪切载荷合成为等效载荷
如图13所示。
S5：对有断裂风险的螺栓添加失效参数，模拟碰撞后螺栓断裂的虚拟仿真情况。其中失效参数为安全系数乘上许用拉伸载荷，安全系数按照设计风险等级选择。
按照设计风险，选择安全系数为0.9，将等效后的峰值载荷与0.9倍许用拉伸载荷对比，发现峰值载荷超过0.9倍许用拉伸载荷，判断出该螺栓有断裂的风险，对该螺栓添加失效参数，使其能够模拟出螺栓在碰撞后，出现断裂的局部动态响应。
失效参数的添加具体如下，对S3中的真实梁单元使用MAT196MAT_GENERAL_SPRING_DISCRETE_BEAM号材料模拟其失效特性，Mat196号材料提供了六个自由度的简单断裂参数，如图14所示，根据螺栓的失效准则，将同时受轴向拉压和垂直面受剪切的组合工况载荷等效为单轴拉伸载荷，因此只需在材料卡片中激活其中一个自由度，通过材料卡片上的FLCID_1与TDF_1能匹配出该螺栓失效参数即0.9倍许用拉伸载荷。
Claims (9)
1.一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法，其特征是，包括以下步骤：
S1：创建螺栓虚拟网格模型，在有限元前处理软件中，根据输入螺栓的几何外轮廓尺寸参数，批量创建成对螺杆和螺母的螺栓虚拟网格模型，并对该螺栓虚拟网格模型赋予刚体材料；
S2：生成预紧梁单元，对螺栓施加轴向预紧力，在有限元前处理软件的LS-DYNA模块中采用ELFORM＝9号梁单元将该梁单元两端节点与S1中创建的螺栓网格模型端面中心节点连接，再通过对ELFORM＝9号梁单元使用关键字*Intial Axial Force Beam对螺栓盘头施加轴向预紧力，最后通过关键字*Define Element Death Beam Set删除预紧梁单元；
S3：生成表征螺栓力学性能的梁单元，将S1中创建的螺栓网格模型向内偏移生成螺栓网格偏移模型，再采用ELFORM＝1号梁单元将该梁单元两端节点与螺栓偏移网格模型端面中心节点连接，最后使用关键字*Tied ShellEdge to Surface Beam Offset将螺栓偏移网格模型与螺栓虚拟网格模型连接；
S4：读取碰撞工况下，螺栓的历史载荷输出曲线，根据螺栓失效准则，将结果与许用安全载荷进行对比，并判断螺栓是否有断裂风险；
S5：对有断裂风险的螺栓添加失效参数，模拟碰撞后螺栓断裂的虚拟仿真情况。
2.按照权利要求1所述的一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法，其特征在于：所述步骤S1中螺栓的几何外轮廓尺寸参数包括定参数和变参数，变参数包括螺栓盘头直径(φA)、螺栓压边大小(XA)、螺栓的螺杆长度(LA)、螺帽直径(φB)、螺帽压边大小(XB)和螺帽的螺杆长度(LB)，定参数包括螺栓的公称直径和螺栓盘头厚度。
3.按照权利要求2所述的一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法，其特征在于：所述步骤S1中几何外廓尺寸参数中螺栓的螺杆长度(LA)小于靠近螺栓盘头的被连接件厚度(SA),螺帽的螺杆长度(LB)小于靠近螺帽的被连接件厚度(SB)。
4.按照权利要求1所述的一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法，其特征在于：所述步骤S2中轴向预紧力通过标准QC/T 518查得的螺栓的预紧扭矩转换而成，其转换与螺栓直径、螺距盘头摩擦系数、螺杆摩擦系数有关。
5.按照权利要求1所述的一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法，其特征在于：所述步骤S4中根据螺栓的失效准则判断螺栓是否有断裂风险时采用第四强度理论。
6.按照权利要求1所述的一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法，其特征在于：所述步骤S4中许用安全载荷为螺栓最小许用拉伸载荷，其值在GB/T 3098.1-2000～GB/T3098.17-2000标准中根据螺栓的公称直径、牙距和强度等级查到具体的数值。
7.按照权利要求5所述的一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法，其特征在于：所述步骤S4中的螺栓失效准则为在碰撞工况下，螺栓既受到横向剪切载荷，又同时受到轴向拉压载荷，螺栓综合受力状态与单点应力状态下同时受拉压应力和垂直面受剪切的应力状态类似，该应力状态下根据第四强度理论计算出等效应力为
同理能得到螺栓等效载荷的计算公式
8.按照权利要求7所述的一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法，其特征在于：所述步骤S4中螺栓的历史载荷输出曲线中是以时间横坐标，螺栓受到的横向载荷与剪切载荷为纵坐标，具体包括轴向载荷FD、剪切载荷FJ1和剪切载荷FJ2，为方便与安全载荷比较，将横向载荷与两个垂直方向的剪切载荷合成为等效载荷
9.按照权利要求1所述的一种评判碰撞工况下螺栓断裂的虚拟仿真方法，其特征在于：所述步骤S5中失效参数为安全系数乘上许用拉伸载荷，所述安全系数按照设计风险等级选择。
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