CN112347682A - 一种包含过度网格及升角的螺纹六面体网格划分方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包含过度网格及升角的螺纹六面体网格划分方法。该方法首先构建螺栓螺母三维模型，将其划分为包含螺纹的螺栓实体、包含螺栓头的螺柱实体、螺纹内部螺柱实体、包含螺纹的螺母实体、螺母螺纹外部实体。然后包含以螺纹的螺栓实体和包含螺纹的螺母实体横截面为起点；将相邻进行四边形网格映射成为单螺距的六面体网格，以螺纹内部螺柱实体、螺母螺纹外部实体为对象，进轴向过度网格划分，以螺纹内部螺柱实体横截面为基础进行横向过度网格划分；以包含螺栓头的螺柱实体为对象进行六面体网格划分；将螺栓、螺母的六面体网格节点分别进行连接，得到包含过度网格及升角的螺纹六面体网格。本发明为后处理计算节约时间成本。
Description
技术领域
本发明属于有限元仿真技术领域，具体涉及一种包含过度网格及升角的螺纹六面体网格划分方法。
背景技术
螺纹连接是工程结构中被普遍采用的一种连接方式，有结构简单、拆卸方便、工作可靠等优点。
在机床各部件装配中，螺纹连接应用最为广泛，其连接性能好坏直接影响机床装配质量及加工精度。由于螺纹连接在结构在服役期间夹紧力、摩擦力矩等无法测量，而现有实验设备对螺纹接触面滑移、自松等现象也无法直接测量。因此，利用有限元技术对其进行应力分析、自松弛分析是研究机床转配部件螺纹连接结构松弛效应的必要补充。
对上述问题的解决现有技术方案包括：1)采用对称螺纹进行建模，该方法虽简单，但并不能准确模拟带升角螺纹的应力变化及自松现象；2)在有限元软件中进行参数化建模，该方法较为复杂，需要较高编程功底。
发明内容
本发明的目的在于解决螺纹连接结构有限元模型精度不高，建模过程复杂，及仿真计算消耗时间过长的问题，提出一种包含过度网格及升角的螺纹六面体网格划分方法。具体技术方案如下：
一种包含过度网格及升角的螺纹六面体网格划分方法,包含以下步骤：
S1、依据国家标准GB/T1229-2006计算螺栓螺母几何结构尺寸；
S2、通过Pro/E或Solidworks等三维制图软件构建标准三维模型，将模型导入有限元软件HYPERMESH中，通过solidedit功能将螺纹部分与不含螺纹的部分分割，从而得到包含螺纹的螺栓实体、包含螺栓头的螺柱实体、螺纹内部螺柱实体、包含螺纹的螺母实体、螺母螺纹外部实体；
S3、在有限元软件HYPERMESH中，使用sufaceeditd功能，将包含螺纹的螺栓实体横截面等分成n份，使用2D功能区的ruled功能，将n个区域分别划分出规则的四边形网格，用faces功能将n个区域网格节点连接，包含螺纹的螺母实体进行相同操作；
S4、在有限元软件HYPERMESH中，使用translate功能与rotate功能将二维四边形网格沿轴线进行复制移动尺寸1与旋转尺寸2；复制n次，直到达到单一螺距P的长度，包含螺纹的螺母实体进行相同操作；
S5、在有限元软件HYPERMESH中，使用3D功能区的solidmap功能，将S3、S4中的二维四边形网格映射成六面体网格，包含螺纹的螺母实体进行相同操作；
S6、在有限元软件HYPERMESH中，对网格进行轴向过度，即对螺纹内部螺柱实体表面使用sufaceeditd功能，切分出轴向过度网格辅助圆环面，并在此面重复S3操作，使用lines功能及ruled功能构造轴向过度单元网格，基于过度网格，沿过度圆环面上网格节点映射出六面体过度网格，螺母螺纹外部实体进行相同操作；
S7、在有限元软件HYPERMESH中，对网格进行横向过度，即对螺纹内部螺柱实体表面使用sufaceeditd功能，切分出横向过度网格辅助圆环面，将此圆环面切分成上一层网格数量的1/3，并用2D功能区的automesh功能进行横向过度网格划分，基于横向过度网格使用使用3D功能区的solidmap功能，将其映射为横向过度六面体网格；
S8、在有限元软件HYPERMESH中，重复S6操作，进一步轴向过度；
S9、在有限元软件HYPERMESH中，对剩余螺纹内部螺柱实体进行六面体网格划分，螺母螺纹外部实体进行相同操作；
S10、在有限元软件HYPERMESH中，使用translate功能沿轴向复制所需个数的S9中单位螺距螺纹，螺母单位螺距螺纹进行相同操作；
S11、完成包含螺栓头的螺柱实体部分六面体网格，并使用faces功能分别将螺栓、螺母所有六面体网格节点连接，删除四面体网格，从而得到包含过度网格及升角的螺纹六面体网格。
进一步的，所述步骤S3包括：将包含螺纹的螺栓实体与包含螺纹的螺母实体横截面等分成n份，其中，n≧2，这可保证2D功能区的ruled功能顺利绘出四边形网格。
进一步的，所述步骤S4包括：将二维四边形网格沿轴线进行复制移动尺寸1与旋转尺寸2，复制n次，直到达到单一螺距P的长度。其中，尺寸1长度为P/n，且尺寸1应小于或等于螺纹牙顶宽度，n＝16时较为合适；旋转尺寸2角度为2π/n。
进一步的，所述步骤S6包括：对网格进行轴向过度，其中，过度网格采用“二一”过度，即两个六面体网格过度成为一个六面体网格。
进一步的，所述步骤S8包括：对网格进行横向过度，其中，过度网格采用“三一”过度，即三个六面体网格过度成为一个六面体网格。
与现有技术相比，本发明的有益效果为:本发明首先根据国家标准GB/T1229-2006，构建标准几何尺寸螺栓螺母三维模型，分析螺纹变化规律，根据螺栓螺母结构提点将其切分为五部分：即包含螺纹的螺栓实体、包含螺栓头的螺柱实体、螺纹内部螺柱实体、包含螺纹的螺母实体、螺母螺纹外部实体；然后根据包含螺纹的螺栓实体及包含螺纹的螺母实体的结构特点，在其横截面划分四边形网格，通过复制平移、旋转、映射操作得到单位螺距的螺纹六面体网格，再在螺纹内部螺柱实体、螺母螺纹外部实体上进行网格轴向过度，在内部螺柱实体上进行横向过度，得到单位螺距螺栓、螺母完整的六面体网格；接着，沿轴线对单位螺距进行复制平移得到完整带升角螺纹六面体网格，再对其他部位进行网格划分，最终得到包含过度网格及升角的螺纹六面体网格。因此，本发明无需进行大量网格节点运算，采用轴向、横向过度网格，即能保证螺栓仿真装配时计算精度，又能大幅度提高计算效率，具有较好通用性。
附图说明
图1为依据国标GB/T1229-200所建螺栓螺母的剖面图及单位螺距的螺纹几何结构示意图；
图2为依据螺栓螺母结构形式将其划分示意图；a为螺纹的螺栓实体、b为螺栓头的螺柱实体、c为螺纹内部螺柱实体、d为包含螺纹的螺母实体、e为螺母螺纹外部实体；
图3为在包含螺纹的螺栓实体横截面绘出的二维四边形网格模型；
图4为二维四边形网格经过幅值移动、旋转得到的单螺距内沿螺纹结构变化的二维四边形网格模型；
图5为单位螺距内的二维四边形网格映射得到的六面体网格模型；
图6为轴向过度网格模型；
图7为横向过度网格模型；
图8为螺栓单位螺距内六面体网格模型；
图9为包含过度网格及升角的螺栓六面体网格模型；
图10为包含过度网格及升角的螺母六面体网格模型；
图11为包含过度网格及升角的螺栓螺母啮合六面体剖面模型。
具体实施方式
本发明的目的在于解决螺纹连接结构有限元模型精度不高，建模过程复杂，及仿真计算消耗时间过长的问题，提出一种包含过度网格及升角的螺纹六面体网格划分方法。具体技术方案如下：
一种包含过度网格及升角的螺纹六面体网格划分方法,包含以下步骤：
S1、依据国家标准GB/T1229-2006计算螺栓螺母几何结构尺寸；
S2、通过Pro/E或Solidworks等三维制图软件构建标准三维模型，将模型导入有限元软件HYPERMESH中，通过solidedit功能将螺纹部分与不含螺纹的部分分割，从而得到包含螺纹的螺栓实体、包含螺栓头的螺柱实体、螺纹内部螺柱实体、包含螺纹的螺母实体、螺母螺纹外部实体；
S3、在有限元软件HYPERMESH中，使用sufaceeditd功能，将包含螺纹的螺栓实体横截面等分成n份，使用2D功能区的ruled功能，将n个区域分别划分出规则的四边形网格，用faces功能将n个区域网格节点连接，包含螺纹的螺母实体进行相同操作；
S4、在有限元软件HYPERMESH中，使用translate功能与rotate功能将二维四边形网格沿轴线进行复制移动尺寸1与旋转尺寸2；复制n次，直到达到单一螺距P的长度，包含螺纹的螺母实体进行相同操作；
S5、在有限元软件HYPERMESH中，使用3D功能区的solidmap功能，将S3、S4中的二维四边形网格映射成六面体网格，包含螺纹的螺母实体进行相同操作；
S6、在有限元软件HYPERMESH中，对网格进行轴向过度，即对螺纹内部螺柱实体表面使用sufaceeditd功能，切分出轴向过度网格辅助圆环面，并在此面重复S3操作，使用lines功能及ruled功能构造轴向过度单元网格，基于过度网格，沿过度圆环面上网格节点映射出六面体过度网格，螺母螺纹外部实体进行相同操作；
S7、在有限元软件HYPERMESH中，对网格进行横向过度，即对螺纹内部螺柱实体表面使用sufaceeditd功能，切分出横向过度网格辅助圆环面，将此圆环面切分成上一层网格数量的1/3，并用2D功能区的automesh功能进行横向过度网格划分，基于横向过度网格使用使用3D功能区的solidmap功能，将其映射为横向过度六面体网格；
S8、在有限元软件HYPERMESH中，重复S6操作，进一步轴向过度；
S9、在有限元软件HYPERMESH中，对剩余螺纹内部螺柱实体进行六面体网格划分，螺母螺纹外部实体进行相同操作；
S10、在有限元软件HYPERMESH中，使用translate功能沿轴向复制所需个数的S9中单位螺距螺纹，螺母单位螺距螺纹进行相同操作；
S11、完成包含螺栓头的螺柱实体部分六面体网格，并使用faces功能分别将螺栓、螺母所有六面体网格节点连接，删除四面体网格，从而得到包含过度网格及升角的螺纹六面体网格。
进一步的，所述步骤S3包括：将包含螺纹的螺栓实体与包含螺纹的螺母实体横截面等分成n份，其中，n≧2，这可保证2D功能区的ruled功能顺利绘出四边形网格。
进一步的，所述步骤S4包括：将二维四边形网格沿轴线进行复制移动尺寸1与旋转尺寸2，复制n次，直到达到单一螺距P的长度。其中，尺寸1长度为P/n，且尺寸1应小于或等于螺纹牙顶宽度，n＝16时较为合适；旋转尺寸2角度为2π/n。
进一步的，所述步骤S6包括：对网格进行轴向过度，其中，过度网格采用“二一”过度，即两个六面体网格过度成为一个六面体网格。
进一步的，所述步骤S8包括：对网格进行横向过度，其中，过度网格采用“三一”过度，即三个六面体网格过度成为一个六面体网格。
与现有技术相比，本发明的有益效果为:本发明首先根据国家标准GB/T1229-2006，构建标准几何尺寸螺栓螺母三维模型，分析螺纹变化规律，根据螺栓螺母结构提点将其切分为五部分：即包含螺纹的螺栓实体、包含螺栓头的螺柱实体、螺纹内部螺柱实体、包含螺纹的螺母实体、螺母螺纹外部实体；然后根据包含螺纹的螺栓实体及包含螺纹的螺母实体的结构特点，在其横截面划分四边形网格，通过复制平移、旋转、映射操作得到单位螺距的螺纹六面体网格，再在螺纹内部螺柱实体、螺母螺纹外部实体上进行网格轴向过度，在内部螺柱实体上进行横向过度，得到单位螺距螺栓、螺母完整的六面体网格；接着，沿轴线对单位螺距进行复制平移得到完整带升角螺纹六面体网格，再对其他部位进行网格划分，最终得到包含过度网格及升角的螺纹六面体网格。因此，本发明无需进行大量网格节点运算，采用轴向、横向过度网格，即能保证螺栓仿真装配时计算精度，又能大幅度提高计算效率，具有较好通用性。
Claims (6)
1.一种包含过度网格及升角的螺纹六面体网格划分方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、获取螺栓螺母的几何结构尺寸；
S2、通过Pro/E或Solidworks三维制图软件构建标准三维模型，将模型导入有限元软件HYPERMESH中，通过solid edit功能将螺纹部分与不含螺纹的部分分割，从而得到包含螺纹的螺栓实体、包含螺栓头的螺柱实体、螺纹内部螺柱实体、包含螺纹的螺母实体、螺母螺纹外部实体；
S3、在有限元软件HYPERMESH中，使用suface editd功能，将包含螺纹的螺栓实体横截面等分成n份，使用2D功能区的ruled功能，将n个区域分别划分出规则的四边形网格，用faces功能将n个区域网格节点连接，包含螺纹的螺母实体进行相同操作；
S4、在有限元软件HYPERMESH中，使用translate功能与rotate功能将二维四边形网格沿轴线进行复制移动尺寸1与旋转尺寸2；复制n次，直到达到单一螺距P的长度，包含螺纹的螺母实体进行相同操作；
S5、在有限元软件HYPERMESH中，使用3D功能区的solidmap功能，将S3、S4中的二维四边形网格映射成六面体网格，包含螺纹的螺母实体进行相同操作；
S6、在有限元软件HYPERMESH中，对网格进行轴向过度，即对螺纹内部螺柱实体表面使用suface editd功能，切分出轴向过度网格辅助圆环面，并在此面重复S3操作，使用lines功能及ruled功能构造轴向过度单元网格，基于过度网格，沿过度圆环面上网格节点映射出六面体过度网格，螺母螺纹外部实体进行相同操作；
S7、在有限元软件HYPERMESH中，对网格进行横向过度，即对螺纹内部螺柱实体表面使用suface editd功能，切分出横向过度网格辅助圆环面，将此圆环面切分成上一层网格数量的1/3，并用2D功能区的automesh功能进行横向过度网格划分，基于横向过度网格使用使用3D功能区的solid map功能，将其映射为横向过度六面体网格；
S8、在有限元软件HYPERMESH中，重复S6操作，进一步轴向过度；
S9、在有限元软件HYPERMESH中，对剩余螺纹内部螺柱实体进行六面体网格划分，螺母螺纹外部实体进行相同操作；
S10、在有限元软件HYPERMESH中，使用translate功能沿轴向复制所需个数的S9中单位螺距螺纹，螺母单位螺距螺纹进行相同操作；
S11、完成包含螺栓头的螺柱实体部分六面体网格，并使用faces功能分别将螺栓、螺母所有六面体网格节点连接，删除四面体网格，从而得到包含过度网格及升角的螺纹六面体网格。
2.如权利要求1所述的一种包含过度网格及升角的螺纹六面体网格划分方法，其特征在于，所述步骤S1包括：其中，S1中所述的依据国标获取螺栓螺母装配状态的几何尺寸包括螺距数值、内外螺纹的公称直径、螺纹大径、螺纹中径、牙型角、牙顶数值。
3.如权利要求1所述的一种包含过度网格及升角的螺纹六面体网格划分方法，其特征在于，所述步骤S3包括：其中，S3中所述的包含螺纹的螺栓实体及包含螺纹的螺母实体横截面划分的n个区域，n至少大于2。
4.如权利要求1所述的一种包含过度网格及升角的螺纹六面体网格划分方法，其特征在于，所述步骤S4包括：其中，S4中所述的将二维四边形网格沿轴线进行复制移动尺寸1与旋转尺寸2，复制移动尺寸1应小于或等于螺纹牙顶宽度。
5.如权利要求1所述的一种包含过度网格及升角的螺纹六面体网格划分方法，其特征在于，所述步骤S6包括：其中，S6、S8中所述的构造轴向过度网格单元是以两个六面体网格单元过度为一个六面体网格单元。
6.如权利要求1所述的一种包含过度网格及升角的螺纹六面体网格划分方法，其特征在于，所述步骤S7包括：其中，S7中所述的对网格进行横向过度，以三个六面体网格单元过度为一个六面体网格单元。
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| GR01 | Patent grant | ||
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