CN113297711B - 一种无源松动预警螺栓的结构优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种无源松动预警螺栓的结构优化方法及装置，应用于对无源松动预警螺栓进行结构参数设计，其无源松动预警螺栓通过对螺栓本身结构进行了改进，相对于有源松动预警螺栓结构简单且不易损坏，结构稳定性较好，同时，无需电源即可实现松动预警，适用于多个应用场景，不再局限使用。通过借助有限元方法对无源松动预警螺栓进行仿真实验，考虑了无源松动预警螺栓自身所需结构的约束条件，并根据von Mises应力和剪切应力选取满足强度要求的无源松动预警螺栓的结构参数，从而对无源松动预警螺栓的结构设计进行优化，进一步提高了无源松动预警螺栓的结构稳定性。

Description

一种无源松动预警螺栓的结构优化方法及装置

技术领域

本申请涉及有限元设计技术领域，尤其涉及一种无源松动预警螺栓的结构优化方法及装置。

背景技术

为确保工程质量符合要求以及输电线路运行可靠，需要对输电铁塔上的螺栓进行拧紧力矩检验。目前主要的检验手段依靠人工登杆检验，利用力矩扳手判断螺栓的拧紧力矩是否达到紧固标准的要求。

由于输电线路上的螺栓数量众多，在工程验收和巡检的时候往往利用力矩扳手对螺栓随机抽样检查，不能及时、全面反应每个螺栓的松动情况，在巡检过程中及时发现螺栓松动或者脱落比较困难。这为输电线路的安全运行造成一定程度的潜在风险，耗费大量的人力，也增加了验收、巡检人员的作业风险。

目前也出现了一种螺栓松动预警装置，该装置具有告警信息发射功能，在接通电路发出灯光信号和声音信号的同时，装置中的信号发射模块也被触发，发射告警信息至远程控制端和移动终端，从而实现松动状态的在线预警。

但是，上述的螺栓松动预警装置为有源装置，多安装于建筑施工场所，不适用于广阔无人、螺栓数量众多、需要对螺栓松紧状态进行定期巡检的输电线路，从而使局限性较高。

此外，该有源松动预警螺栓的结构相对复杂、容易损坏，从而导致结构稳定性较差。

发明内容

本申请提供了一种无源松动预警螺栓的结构优化方法及装置，用于解决现有的螺栓松动预警装置局限性较高和结构稳定性较差的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种无源松动预警螺栓的结构优化方法，应用于对无源松动预警螺栓进行结构参数设计，所述无源松动预警螺栓包括螺栓本体、套筒、螺母和行程弹簧；所述螺栓本体由上至下依次固定连接有螺栓头、方形螺柱和圆形螺柱；

所述套筒套设于所述螺栓本体上，所述套筒的内部上部分为圆形孔，所述套筒的内部下部分为方形孔，所述圆形孔的孔径与所述螺栓头的半径相等，所述圆形孔的孔深大于所述螺栓头的高度，所述方形孔的边长与所述方形螺柱的边长相等，所述行程弹簧套设于所述方形螺柱的外壁，所述行程弹簧与所述圆形孔的结构相适配，从而使得所述螺栓头和所述方形螺柱卡接于所述套筒的内部；所述螺栓头与所述圆形孔衔接的侧壁设有颜色涂层；

所述圆形螺柱的下部外壁沿圆周方向设有螺纹，所述螺母与所述螺纹配合螺纹连接，待固定连接件套设于所述螺母与所述套筒之间；

当所述无源松动预警螺栓处于松动状态时，所述螺栓头的上表面高于所述套筒的上表面，从而使所述套筒未完全覆盖所述颜色涂层；

当向所述螺母施加预设的预紧力，使得所述螺母与所述螺纹配合螺纹连接并处于正常拧紧状态时，通过所述行程弹簧压缩形变驱使所述螺栓头的上表面与所述套筒的上表面位置平齐且所述套筒完全覆盖所述颜色涂层，其中，所述正常拧紧状态为所述套筒与所述螺母配合使所述待固定连接件处于最大紧固限度，同时，满足以下力学平衡关系式，

上式中，F为预设的预紧力，k为行程弹簧的弹性系数，Δl为行程弹簧的形变长度，h₁为螺栓头的高度，h₂为圆形孔的孔深，l为行程弹簧的初始长度；

则对所述无源松动预警螺栓进行结构参数设计的方法，包括以下步骤：

S1、基于有限元软件建立处于所述正常拧紧状态下的所述无源松动预警螺栓的有限元几何模型；

S2、判断所述有限元几何模型是否满足处于所述正常拧紧状态下的约束条件，若判断不满足，则调整所述无源松动预警螺栓的结构参数，重新执行步骤S1，若判断满足，则执行步骤S3；

S3、利用有限元方法计算所述有限元几何模型在静载荷情况下的应变程度，根据所述应变程度通过预置公式计算von Mises应力和剪切应力；

S4、根据所述von Mises应力和所述剪切应力判断所述无源松动预警螺栓的结构参数是否满足预设的设计要求，若上述判断为满足，则输出相应的所述无源松动预警螺栓的结构参数，若上述判断为不满足，则调整所述无源松动预警螺栓的结构参数，重新执行步骤S1直至所述无源松动预警螺栓的结构参数满足所述预设的设计要求。

优选地，步骤S1之前包括：

S0、向有限元软件输入所述无源松动预警螺栓和所述待固定连接件的结构参数，所述结构参数包括几何参数和物理参数。

优选地，所述约束条件包括：

当所述行程弹簧处于最大压缩限度时，所述螺栓头的上表面与所述套筒的上表面位置平齐；

所述行程弹簧处于初始状态下的半径满足大于所述方形螺柱的外接圆的半径，且小于所述螺栓头的半径；

当所述无源松动预警螺栓处于所述正常拧紧状态时，满足所述力学平衡关系式。

优选地，步骤S3具体包括：

S301、利用有限元方法计算所述有限元几何模型从初始位置在静载荷的作用下的位置变化量，从而得到所述应变程度；

S302、在所述有限元几何模型的所在空间建立笛卡尔坐标系，根据材料力学的胡克定律，通过所述应变程度计算所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力；

S303、基于畸变能密度理论，根据所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力计算von Mises应力；

S304、根据所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力计算剪切应力。

优选地，所述预设的设计要求具体为，所述von Mises应力小于预设的抗剪强度，同时，所述剪切应力小于预设的屈服强度。

优选地，步骤S4之后包括：

S5、重复执行步骤S1~S4，从而输出若干组满足所述预设的设计要求的所述无源松动预警螺栓的结构参数；

S6、将步骤S5中输出的若干组所述无源松动预警螺栓的结构参数相应的应变程度、von Mises应力和剪切应力分别进行求和，根据求和结果确定最小求和值，以所述最小求和值对应的所述无源松动预警螺栓的结构参数作为所述无源松动预警螺栓的最优设计结构参数。

第二方面，本发明提供了一种无源松动预警螺栓的结构优化装置，用于执行上述的无源松动预警螺栓的结构优化方法，包括建模模块、约束判断模块、计算模块和输出模块；

所述建模模块，用于基于有限元软件建立处于正常拧紧状态下的无源松动预警螺栓的有限元几何模型；

所述约束判断模块，用于判断所述有限元几何模型是否满足处于所述正常拧紧状态下的约束条件，还用于当判断所述有限元几何模型不满足处于所述正常拧紧状态下的约束条件，则调整所述无源松动预警螺栓的结构参数，并将调整后的所述无源松动预警螺栓的结构参数输入到所述建模模块，以重新建立所述有限元几何模型，还用于当判断所述有限元几何模型满足处于所述正常拧紧状态下的约束条件时，则生成计算工作信号发送至所述计算模块；

所述计算模块，用于接收所述计算工作信号，还用于利用有限元方法计算所述有限元几何模型在静载荷情况下的应变程度，还用于根据所述应变程度通过预置公式计算von Mises应力和剪切应力；

所述输出模块，用于根据所述von Mises应力和所述剪切应力判断所述无源松动预警螺栓的结构参数是否满足预设的设计要求，还用于当判断所述无源松动预警螺栓的结构参数满足预设的设计要求时，则输出相应的所述无源松动预警螺栓的结构参数，还用于当判断所述无源松动预警螺栓的结构参数不满足预设的设计要求时，则调整所述无源松动预警螺栓的结构参数直至所述无源松动预警螺栓的结构参数满足所述预设的设计要求。

优选地，本装置还包括输入模块，用于向有限元软件输入所述无源松动预警螺栓和所述待固定连接件的结构参数，所述结构参数包括几何参数和物理参数。

优选地，所述计算模块包括第一计算子模块、第二计算子模块、第三计算子模块和第四计算子模块；

所述第一计算子模块，用于利用有限元方法计算所述有限元几何模型从初始位置在静载荷的作用下的位置变化量，从而得到所述应变程度；

所述第二计算子模块，用于在所述有限元几何模型的所在空间建立笛卡尔坐标系，还用于根据材料力学的胡克定律，通过所述应变程度计算所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力；

所述第三计算子模块，用于基于畸变能密度理论，根据所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力计算von Mises应力；

所述第四计算子模块，用于根据所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力计算剪切应力。

优选地，所述输出模块具体用于输出若干组满足所述预设的设计要求的所述无源松动预警螺栓的结构参数；还用于将输出的若干组所述无源松动预警螺栓的结构参数相应的应变程度、von Mises应力和剪切应力分别进行求和，还用于根据求和结果确定最小求和值，以所述最小求和值对应的所述无源松动预警螺栓的结构参数作为所述无源松动预警螺栓的最优设计结构参数。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种无源松动预警螺栓的结构优化方法，应用于对无源松动预警螺栓进行结构参数设计，其无源松动预警螺栓通过行程弹簧的形变压力驱使套筒和螺栓头之间的相对位置发生改变，进而使得在无源松动预警螺栓处于正常拧紧状态时，设置在螺栓头的颜色涂层不裸露在外，而在无源松动预警螺栓处于松动状态时，行程弹簧的形变压力减小，从而使得颜色涂层裸露在外，以表明无源松动预警螺栓出现松动，提供了松动预警信号。由于通过对螺栓本身结构进行了改进，相对于有源松动预警螺栓结构简单且不易损坏，结构稳定性较好，同时，无需电源即可实现松动预警，适用于多个应用场景，不再局限使用。而通过借助有限元方法对无源松动预警螺栓进行仿真实验，考虑了无源松动预警螺栓自身所需结构的约束条件，并根据von Mises应力和剪切应力选取满足强度要求的无源松动预警螺栓的结构参数，从而对无源松动预警螺栓的结构设计进行优化，进一步提高了无源松动预警螺栓的结构稳定性。

附图说明

图1为本申请实施例提供的无源松动预警螺栓的立体结构示意图；

图2为本申请实施例提供的无源松动预警螺栓的正视结构示意图；

图3为本申请实施例提供的无源松动预警螺栓的剖视结构示意图；

图4为本申请实施例提供的无源松动预警螺栓的套筒结构示意图；

图5为本申请实施例提供的无源松动预警螺栓在初始状态下的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的无源松动预警螺栓在正常拧紧状态下的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的无源松动预警螺栓的结构优化方法的流程图；

图8为本申请实施例提供的无源松动预警螺栓的结构优化装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

目前，已有的一种螺栓松动预警装置属于有源装置，主要结构包括壳体、弹性体、开路电路、信号发射模块以及垫片。该预警装置安装于螺栓端部并且与螺母邻接，当螺栓发生松动，螺母的位移量超出设定的位移阈值，挤压安装于螺栓端部的预警装置，使预警装置中的弹性体压缩形变，带动环形垫片接触原本开路的报警电路，使电路接通发出灯光信号和声音信号，从而对螺栓松动状态进行提示。

但是，上述的螺栓松动预警装置为有源装置，多安装于建筑施工场所，不适用于广阔无人、螺栓数量众多、需要对螺栓松紧状态进行定期巡检的输电线路，从而使局限性较高。此外，该有源松动预警螺栓的结构相对复杂、容易损坏，从而导致结构稳定性较差。

为此，本发明提供了一种无源松动预警螺栓的结构优化方法，应用于对无源松动预警螺栓进行结构参数设计，如图1~3所示，无源松动预警螺栓包括螺栓本体10、套筒20、螺母30和行程弹簧40；螺栓本体10由上至下依次固定连接有螺栓头11、方形螺柱12和圆形螺柱13；

套筒20套设于螺栓本体10上，如图4所示，套筒20的内部上部分为圆形孔21，套筒20的内部下部分为方形孔22，圆形孔21的孔径与螺栓头11的半径相等，圆形孔21的孔深大于螺栓头11的高度，方形孔22的边长与方形螺柱12的边长相等，行程弹簧40套设于方形螺柱12的外壁，行程弹簧40与圆形孔21的结构相适配，从而使得螺栓头11和方形螺柱12卡接于套筒20的内部；螺栓头11与圆形孔21衔接的侧壁设有颜色涂层110；

需要说明的是，当套筒20套设于螺栓本体10时，其圆形孔21与螺栓头11配合套接，方形孔22与方形螺柱12配合套接，在旋拧螺栓过程中，可以保持套筒20和方形螺柱12相对固定位置，同时，由于圆形孔21的孔深大于螺栓头11的高度，因此，圆形孔21的下部会延伸至方形螺柱12的侧壁的侧方，并与方形螺柱12的侧壁之间形成间隙，在方形螺柱12的外壁套设行程弹簧40，使行程弹簧40填充间隙，使得螺栓头11和方形螺柱12卡接于套筒20的内部，并通过行程弹簧40的形变压缩使得套筒20与螺栓头11之间存在相对运动现象。

圆形螺柱13的下部外壁沿圆周方向设有螺纹131，螺母30与螺纹131配合螺纹连接，待固定连接件套设于螺母30与套筒20之间；

当无源松动预警螺栓处于松动状态时，螺栓头11的上表面高于套筒20的上表面，从而使套筒20未完全覆盖颜色涂层110；

需要说明的是，通过对行程弹簧40的初始长度和弹性设置以及套筒20和螺栓头11的相对位置设置，使得行程弹簧40处于初始状态时或无源松动预警螺栓处于松动状态时，其螺栓头11的上表面高于套筒20的上表面，使颜色涂层110裸露在外面，以表明无源松动预警螺栓处于松动状态。

当向螺母30施加预设的预紧力，使得螺母30与螺纹131配合螺纹连接并处于正常拧紧状态时，通过行程弹簧40压缩形变驱使螺栓头11的上表面与套筒20的上表面位置平齐且套筒20完全覆盖颜色涂层110，其中，正常拧紧状态为套筒20与螺母30配合使待固定连接件处于最大紧固限度，同时，满足以下力学平衡关系式，

上式中，F为预设的预紧力，k为行程弹簧40的弹性系数，Δl为行程弹簧40的形变长度，h₁为螺栓头11的高度，h₂为圆形孔21的孔深，l为行程弹簧40的初始长度；

需要说明的是，根据螺栓标准要求，不同尺寸规格的螺栓有不同的预紧力。而在旋紧螺栓的过程中，可以由于外力不当或螺栓的质量问题，可能出现异常拧紧状态，因此，本实施例，需要判断螺栓为正常拧紧状态下，才可以进行结构优化，由于无源松动预警螺栓在固定待固定连接件时，需要穿过待固定连接件所设置的孔并通过螺母30与圆形螺柱13的螺纹131进行螺纹连接，使得待固定连接件夹持于螺母30和套筒20之间，因此，正常拧紧状态的表现为套筒20与螺母30配合使待固定连接件处于最大紧固限度。

如图5所示，图5示意出无源松动预警螺栓在初始状态（松动状态）下的示意图，其中，行程弹簧40在未压缩的状态，使得套筒20可以自由向下，套筒20的上表面低于螺栓头11的上表面，从而裸露出设置在螺栓头11的侧壁的颜色涂层110。通过旋紧无源松动预警螺栓，使得无源松动预警螺栓处于正常拧紧状态，如图6所示，在无源松动预警螺栓处于正常拧紧状态时，由于行程弹簧40形变压缩，使螺栓头11的上表面与套筒20的上表面位置平齐，且满足上述力学平衡关系式。同时，套筒20完全覆盖颜色涂层110，使得不能从外看到颜色涂层110，则说明该无源松动预警螺栓处于正常拧紧状态，而在使用过程中，无源松动预警螺栓出现了松动情况，则会导致行程弹簧40相对拧紧状态出现伸张，从而使得螺栓头11相对套筒20向上突出，裸露颜色涂层110，当运维人员发现颜色涂层110部分裸露后，则可以容易判定出该螺栓出现了松动。而在具体实施例中，螺栓头11的侧壁沿着轴线方向设有刻度，从而可以确定并量化松动程度，从而提高运维人员的维修效率。

同时，在实际应用过程中，可以采用无人机拍摄无源松动预警螺栓后，基于训练好的深度学习算法自动识别是否有裸露颜色涂层110，从而可以快速识别无源松动预警螺栓是否出现松动情况。

本发明提供的无源松动预警螺栓通过行程弹簧的形变压力驱使套筒20和螺栓头之间的相对位置发生改变，进而使得在无源松动预警螺栓处于正常拧紧状态时，设置在螺栓头的颜色涂层不裸露在外，而在无源松动预警螺栓处于松动状态时，行程弹簧的形变压力减小，从而使得颜色涂层裸露在外，以表明无源松动预警螺栓出现松动，提供了松动预警信号。由于通过对螺栓本身结构进行了改进，相对于有源松动预警螺栓结构简单且不易损坏，结构稳定性较好，同时，无需电源即可实现松动预警，适用于多个应用场景，不再局限使用。

同时，为了进一步提高无源松动预警螺栓的结构稳定性，本发明提供的无源松动预警螺栓的结构优化方法对无源松动预警螺栓进行了结构参数设计，具体请见图7，包括以下步骤：

S1、基于有限元软件建立处于正常拧紧状态下的无源松动预警螺栓的有限元几何模型。

S2、判断有限元几何模型是否满足处于正常拧紧状态下的约束条件，若判断不满足，则调整无源松动预警螺栓的结构参数，重新执行步骤S1，若判断满足，则执行步骤S3；

需要说明的是，约束条件包括：

当行程弹簧处于最大压缩限度时，螺栓头的上表面与套筒的上表面位置平齐；

行程弹簧处于初始状态下的半径满足大于方形螺柱的外接圆的半径，且小于螺栓头的半径；

当无源松动预警螺栓处于正常拧紧状态时，满足力学平衡关系式。

S3、利用有限元方法计算有限元几何模型在静载荷情况下的应变程度，根据应变程度通过预置公式计算von Mises应力和剪切应力。

S4、根据von Mises应力和剪切应力判断无源松动预警螺栓的结构参数是否满足预设的设计要求，若上述判断为满足，则输出相应的无源松动预警螺栓的结构参数，若上述判断为不满足，则调整无源松动预警螺栓的结构参数，重新执行步骤S1直至无源松动预警螺栓的结构参数满足预设的设计要求。

需要说明的是，本实施例通过借助有限元方法对无源松动预警螺栓进行仿真实验，考虑了无源松动预警螺栓自身所需结构的约束条件，并根据von Mises应力和剪切应力选取满足强度要求的无源松动预警螺栓的结构参数，从而对无源松动预警螺栓的结构设计进行优化，进一步提高了无源松动预警螺栓的结构稳定性。

以下为本发明提供的一种无源松动预警螺栓的结构优化方法的具体实施例的详细描述。

本发明提供的一种无源松动预警螺栓的结构优化方法，包括以下步骤：

S0、向有限元软件输入无源松动预警螺栓和待固定连接件的结构参数，结构参数包括几何参数和物理参数。

需要说明的是，几何参数具体包括无源松动预警螺栓中的螺栓头、方形螺柱、圆形螺柱、套筒、行程弹簧等部件的几何参数，如圆形螺柱半径、螺栓头高度，螺栓头半径，套筒圆孔深，套筒方孔深，套筒半径，方形螺柱的宽度和高度，行程弹簧的初始长度，行程弹簧的线径，行程弹簧的圈数，行程弹簧的外径，行程弹簧的节距。

物理参数包括无源松动预警螺栓中各个部件的密度，杨氏模量和泊松比，而行程弹簧还需要输入弹性系数。

S100、基于有限元软件建立处于正常拧紧状态下的无源松动预警螺栓的有限元几何模型。

S200、判断有限元几何模型是否满足处于正常拧紧状态下的约束条件，若判断不满足，则调整无源松动预警螺栓的结构参数，重新执行步骤S100，若判断满足，则执行步骤S300；

需要说明的是，约束条件包括：

当行程弹簧处于最大压缩限度时，螺栓头的上表面与套筒的上表面位置平齐；

行程弹簧处于初始状态下的半径满足大于方形螺柱的外接圆的半径，且小于螺栓头的半径；

当无源松动预警螺栓处于正常拧紧状态时，满足力学平衡关系式。

S300、利用有限元方法计算有限元几何模型在静载荷情况下的应变程度，根据应变程度通过预置公式计算von Mises应力和剪切应力。

具体地，步骤S300包括以下步骤：

S301、利用有限元方法计算有限元几何模型从初始位置在静载荷的作用下的位置变化量，从而得到应变程度；

需要说明的是，在有限元方法中，一个三维单元体从初始位置(x,y,z)在力的作用下改变为位置(X,Y,Z)，则应变程度可以计算为，

式中，

表示应变程度。

S302、在有限元几何模型的所在空间建立笛卡尔坐标系，根据材料力学的胡克定律，通过应变程度计算有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力；

需要说明的是，胡克定律为，

式中，

表示主应力，E表示劲度系数。

同时，在有限元几何模型的所在空间建立笛卡尔坐标系，会将主应力分为三个方向，不同方向下的力在微面积元法线方向下计算得到三个主应力，按照大小顺序分别称为第一主应力σ₁、第二主应力σ₂和第三主应力σ₃；

S303、基于畸变能密度理论，根据有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力计算von Mises应力；

需要说明的是，von Mises应力是根据畸变能密度理论计算的一种等效应力，计算公式为，

式中，σ_VM表示von Mises应力。

S304、根据有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力计算剪切应力。

需要说明的是，剪切应力的计算公式为，

式中，τ表示剪切应力。

S400、根据von Mises应力和剪切应力判断无源松动预警螺栓的结构参数是否满足预设的设计要求，若上述判断为满足，则输出相应的无源松动预警螺栓的结构参数，若上述判断为不满足，则调整无源松动预警螺栓的结构参数，重新执行步骤S1直至无源松动预警螺栓的结构参数满足预设的设计要求。

具体地，预设的设计要求具体为，von Mises应力小于预设的抗剪强度，同时，剪切应力小于预设的屈服强度。

需要说明的是，本实施例考虑到无源松动预警螺栓设于架空输电线路的金具连接上，其螺栓主要受连接件在摆动时对螺栓的剪应力，以及承受连接件之间的拉力，因此，仿真计算得到的螺栓最大剪切应力τ应该低于特定规格下螺栓的抗剪强度，同时，需要判断计算得到的von Minses应力σ是否小于标准要求的屈服强度，如果大于屈服强度，则说明在额定预紧力下的螺栓局部会发生不可恢复的形变，若不满足上述运行要求，需要重新对螺栓结构参数（几何参数和物性参数）进行调整和优化。

部分标准要求的常见规格螺栓的抗拉强度和屈服强度值如表1所示，其对应的抗剪强度在一般示例中取抗拉强度的0.6-0.8倍，优选为0.7倍。

表1 常见规格螺栓的抗拉强度和屈服强度值

S500、重复执行步骤S100~S400，从而输出若干组满足预设的设计要求的无源松动预警螺栓的结构参数；

在本实施例中，输出三组满足预设的设计要求的无源松动预警螺栓的结构参数。

S600、将步骤S500中输出的若干组无源松动预警螺栓的结构参数相应的应变程度、von Mises应力和剪切应力分别进行求和，根据求和结果确定最小求和值，以最小求和值对应的无源松动预警螺栓的结构参数作为无源松动预警螺栓的最优设计结构参数。

需要说明的是，由于输出的三组无源松动预警螺栓的结构参数均满足预设的设计要求，考虑节约成本和制作难度，可以选择最小满足强度要求的无源松动预警螺栓的结构参数作为最优设计结构参数，以更适用于实际生产使用。

请参阅图8，本发明还提供了一种无源松动预警螺栓的结构优化装置，用于执行上述的无源松动预警螺栓的结构优化方法，包括建模模块100、约束判断模块200、计算模块300和输出模块400；

建模模块100，用于基于有限元软件建立处于正常拧紧状态下的无源松动预警螺栓的有限元几何模型；

约束判断模块200，用于判断有限元几何模型是否满足处于正常拧紧状态下的约束条件，还用于当判断有限元几何模型不满足处于正常拧紧状态下的约束条件，则调整无源松动预警螺栓的结构参数，并将调整后的无源松动预警螺栓的结构参数输入到建模模块100，以重新建立有限元几何模型，还用于当判断有限元几何模型满足处于正常拧紧状态下的约束条件时，则生成计算工作信号发送至计算模块300；

计算模块300，用于接收计算工作信号，还用于利用有限元方法计算有限元几何模型在静载荷情况下的应变程度，还用于根据应变程度通过预置公式计算von Mises应力和剪切应力；

输出模块400，用于根据von Mises应力和剪切应力判断无源松动预警螺栓的结构参数是否满足预设的设计要求，还用于当判断无源松动预警螺栓的结构参数满足预设的设计要求时，则输出相应的无源松动预警螺栓的结构参数，还用于当判断无源松动预警螺栓的结构参数不满足预设的设计要求时，则调整无源松动预警螺栓的结构参数直至无源松动预警螺栓的结构参数满足预设的设计要求。

需要说明的是，本实施例提供的一种无源松动预警螺栓的结构优化装置的工作过程与上述的无源松动预警螺栓的结构优化方法的步骤一致，在此不再赘述。同时，由于本实施例是对上述的无源松动预警螺栓进行的结构优化，因此，利用上述的无源松动预警螺栓的本身结构的改进以及本无源松动预警螺栓的结构优化装置对无源松动预警螺栓的结构参数的优化，进而相对于有源松动预警螺栓结构简单且不易损坏，结构稳定性较好，同时，无需电源即可实现松动预警，适用于多个应用场景，不再局限使用；通过借助有限元方法对无源松动预警螺栓进行仿真实验，考虑了无源松动预警螺栓自身所需结构的约束条件，并根据von Mises应力和剪切应力选取满足强度要求的无源松动预警螺栓的结构参数，从而对无源松动预警螺栓的结构设计进行优化，进一步提高了无源松动预警螺栓的结构稳定性。

进一步地，本系统还包括输入模块，用于向有限元软件输入无源松动预警螺栓和待固定连接件的结构参数，结构参数包括几何参数和物理参数。

需要说明的是，几何参数具体包括无源松动预警螺栓中的螺栓头、方形螺柱、圆形螺柱、套筒、行程弹簧等部件的几何参数，如圆形螺柱半径、螺栓头高度，螺栓头半径，套筒圆孔深，套筒方孔深，套筒半径，方形螺柱的宽度和高度，行程弹簧的初始长度，行程弹簧的线径，行程弹簧的圈数，行程弹簧的外径，行程弹簧的节距。

进一步地，计算模块包括第一计算子模块、第二计算子模块、第三计算子模块和第四计算子模块；

第一计算子模块，用于利用有限元方法计算有限元几何模型从初始位置在静载荷的作用下的位置变化量，从而得到应变程度；

第二计算子模块，用于在有限元几何模型的所在空间建立笛卡尔坐标系，还用于根据材料力学的胡克定律，通过应变程度计算有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力；

第三计算子模块，用于基于畸变能密度理论，根据有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力计算von Mises应力；

第四计算子模块，用于根据有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力计算剪切应力。

需要说明的是，第一计算子模块、第二计算子模块、第三计算子模块和第四计算子模块的工作过程与上述实施例的步骤S301~S304一致，在此不再赘述。

进一步地，输出模块具体用于输出若干组满足预设的设计要求的无源松动预警螺栓的结构参数；还用于将输出的若干组无源松动预警螺栓的结构参数相应的应变程度、vonMises应力和剪切应力分别进行求和，还用于根据求和结果确定最小求和值，以最小求和值对应的无源松动预警螺栓的结构参数作为无源松动预警螺栓的最优设计结构参数。

需要说明的是，由于输出的三组无源松动预警螺栓的结构参数均满足预设的设计要求，考虑节约成本和制作难度，可以选择最小满足强度要求的无源松动预警螺栓的结构参数作为最优设计结构参数，以更适用于实际生产使用。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种无源松动预警螺栓的结构优化方法，应用于对无源松动预警螺栓进行结构参数设计，其特征在于，所述无源松动预警螺栓包括螺栓本体、套筒、螺母和行程弹簧；所述螺栓本体由上至下依次固定连接有螺栓头、方形螺柱和圆形螺柱；

所述套筒套设于所述螺栓本体上，所述套筒的内部上部分为圆形孔，所述套筒的内部下部分为方形孔，所述圆形孔的孔径与所述螺栓头的半径相等，所述圆形孔的孔深大于所述螺栓头的高度，所述方形孔的边长与所述方形螺柱的边长相等，所述行程弹簧套设于所述方形螺柱的外壁，所述行程弹簧与所述圆形孔的结构相适配，从而使得所述螺栓头和所述方形螺柱卡接于所述套筒的内部；所述螺栓头与所述圆形孔衔接的侧壁设有颜色涂层；

所述圆形螺柱的下部外壁沿圆周方向设有螺纹，所述螺母与所述螺纹配合螺纹连接，待固定连接件套设于所述螺母与所述套筒之间；

当所述无源松动预警螺栓处于松动状态时，所述螺栓头的上表面高于所述套筒的上表面，从而使所述套筒未完全覆盖所述颜色涂层；

当向所述螺母施加预设的预紧力，使得所述螺母与所述螺纹配合螺纹连接并处于正常拧紧状态时，通过所述行程弹簧压缩形变驱使所述螺栓头的上表面与所述套筒的上表面位置平齐且所述套筒完全覆盖所述颜色涂层，其中，所述正常拧紧状态为所述套筒与所述螺母配合使所述待固定连接件处于最大紧固限度，同时，满足以下力学平衡关系式，

上式中，F为预设的预紧力，k为行程弹簧的弹性系数，Δl为行程弹簧的形变长度，h₁为螺栓头的高度，h₂为圆形孔的孔深，l为行程弹簧的初始长度；

对所述无源松动预警螺栓进行结构参数设计的方法，包括以下步骤：

S1、基于有限元软件建立处于所述正常拧紧状态下的所述无源松动预警螺栓的有限元几何模型；

S2、判断所述有限元几何模型是否满足处于所述正常拧紧状态下的约束条件，若判断不满足，则调整所述无源松动预警螺栓的结构参数，重新执行步骤S1，若判断满足，则执行步骤S3；

S3、利用有限元方法计算所述有限元几何模型在静载荷情况下的应变程度，根据所述应变程度通过预置公式计算von Mises应力和剪切应力；

S4、根据所述von Mises应力和所述剪切应力判断所述无源松动预警螺栓的结构参数是否满足预设的设计要求，若上述判断为满足，则输出相应的所述无源松动预警螺栓的结构参数，若上述判断为不满足，则调整所述无源松动预警螺栓的结构参数，重新执行步骤S1直至所述无源松动预警螺栓的结构参数满足所述预设的设计要求。

2.根据权利要求1所述的无源松动预警螺栓的结构优化方法，其特征在于，步骤S1之前包括：

S0、向有限元软件输入所述无源松动预警螺栓和所述待固定连接件的结构参数，所述结构参数包括几何参数和物理参数。

3.根据权利要求1所述的无源松动预警螺栓的结构优化方法，其特征在于，所述约束条件包括：

当所述行程弹簧处于最大压缩限度时，所述螺栓头的上表面与所述套筒的上表面位置平齐；

所述行程弹簧处于初始状态下的半径满足大于所述方形螺柱的外接圆的半径，且小于所述螺栓头的半径；

当所述无源松动预警螺栓处于所述正常拧紧状态时，满足所述力学平衡关系式。

4.根据权利要求1所述的无源松动预警螺栓的结构优化方法，其特征在于，步骤S3具体包括：

S301、利用有限元方法计算所述有限元几何模型从初始位置在静载荷的作用下的位置变化量，从而得到所述应变程度；

S302、在所述有限元几何模型的所在空间建立笛卡尔坐标系，根据材料力学的胡克定律，通过所述应变程度计算所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力；

S303、基于畸变能密度理论，根据所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力计算von Mises应力；

S304、根据所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力计算剪切应力。

5.根据权利要求1所述的无源松动预警螺栓的结构优化方法，其特征在于，所述预设的设计要求具体为，所述von Mises应力小于预设的抗剪强度，同时，所述剪切应力小于预设的屈服强度。

6.根据权利要求1所述的无源松动预警螺栓的结构优化方法，其特征在于，步骤S4之后包括：

S5、重复执行步骤S1~S4，从而输出若干组满足所述预设的设计要求的所述无源松动预警螺栓的结构参数；

S6、将步骤S5中输出的若干组所述无源松动预警螺栓的结构参数相应的应变程度、vonMises应力和剪切应力分别进行求和，根据求和结果确定最小求和值，以所述最小求和值对应的所述无源松动预警螺栓的结构参数作为所述无源松动预警螺栓的最优设计结构参数。

7.一种无源松动预警螺栓的结构优化装置，用于执行权利要求1~6任一项所述的无源松动预警螺栓的结构优化方法，其特征在于，包括建模模块、约束判断模块、计算模块和输出模块；

所述建模模块，用于基于有限元软件建立处于正常拧紧状态下的无源松动预警螺栓的有限元几何模型；

所述约束判断模块，用于判断所述有限元几何模型是否满足处于所述正常拧紧状态下的约束条件，还用于当判断所述有限元几何模型不满足处于所述正常拧紧状态下的约束条件，则调整所述无源松动预警螺栓的结构参数，并将调整后的所述无源松动预警螺栓的结构参数输入到所述建模模块，以重新建立所述有限元几何模型，还用于当判断所述有限元几何模型满足处于所述正常拧紧状态下的约束条件时，则生成计算工作信号发送至所述计算模块；

所述计算模块，用于接收所述计算工作信号，还用于利用有限元方法计算所述有限元几何模型在静载荷情况下的应变程度，还用于根据所述应变程度通过预置公式计算vonMises应力和剪切应力；

所述输出模块，用于根据所述von Mises应力和所述剪切应力判断所述无源松动预警螺栓的结构参数是否满足预设的设计要求，还用于当判断所述无源松动预警螺栓的结构参数满足预设的设计要求时，则输出相应的所述无源松动预警螺栓的结构参数，还用于当判断所述无源松动预警螺栓的结构参数不满足预设的设计要求时，则调整所述无源松动预警螺栓的结构参数直至所述无源松动预警螺栓的结构参数满足所述预设的设计要求。

8.根据权利要求7所述的无源松动预警螺栓的结构优化装置，其特征在于，还包括输入模块，用于向有限元软件输入所述无源松动预警螺栓和所述待固定连接件的结构参数，所述结构参数包括几何参数和物理参数。

9.根据权利要求7所述的无源松动预警螺栓的结构优化装置，其特征在于，所述计算模块包括第一计算子模块、第二计算子模块、第三计算子模块和第四计算子模块；

所述第一计算子模块，用于利用有限元方法计算所述有限元几何模型从初始位置在静载荷的作用下的位置变化量，从而得到所述应变程度；

所述第二计算子模块，用于在所述有限元几何模型的所在空间建立笛卡尔坐标系，还用于根据材料力学的胡克定律，通过所述应变程度计算所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力；

所述第三计算子模块，用于基于畸变能密度理论，根据所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力计算von Mises应力；

所述第四计算子模块，用于根据所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力计算剪切应力。

10.根据权利要求7所述的无源松动预警螺栓的结构优化装置，其特征在于，所述输出模块具体用于输出若干组满足所述预设的设计要求的所述无源松动预警螺栓的结构参数；还用于将输出的若干组所述无源松动预警螺栓的结构参数相应的应变程度、von Mises应力和剪切应力分别进行求和，还用于根据求和结果确定最小求和值，以所述最小求和值对应的所述无源松动预警螺栓的结构参数作为所述无源松动预警螺栓的最优设计结构参数。

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