CN114117858A - 一种基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法 - Google Patents

一种基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法 Download PDF

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李凯
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胡浩
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Abstract

本发明公开了一种基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，包括：定义螺栓结构参数；定义异种金属被连接件结构参数；定义螺栓及被连接件材料力学参数及热物性参数；等效模型建模及网格划分；力学边界条件加载，热学边界条件加载；定义接触对；通过热力耦合仿真计算获取超深冷螺栓预紧力值及判断是否满足相应力学评价指标。本方案可以在不引入应力集中的情况下，采用计算量较小的简化模型进行热力耦合计算，保证计算收敛；本方案填补了超深冷工况下异种金属连接螺栓预紧力的校核方法的空白，并给出了基于破坏扭矩的评价标准和螺栓切向力、轴向力的评价标准，可以判断螺栓的连接的可靠性。

Description

一种基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核 方法
技术领域
本发明涉及机械连接件技术领域，特别涉及一种基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法。
背景技术
在超导磁体及低温压力容器领域中，超深冷工况下异种金属连接件一般采用螺栓进行连接，但由于材料热膨胀系数不同，导致螺栓预紧力会发生不同程度的变化，为了保证结构的可靠性，需要对超深冷异种金属连接螺栓预紧力进行校核。
目前，常温螺栓预紧力仿真分析一般采用两种方式进行建模，一种采用梁单元的简化建模方式，但该方式能够提取的螺栓力结果少，计算精度低；一种采用详细建模的方式，但该方式网格数量和计算量非常大，难以应用；超深冷状态下对连接异种金属的螺栓预紧力暂无校核方法。
因此，如何提供一种基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，以保证螺栓连接的可靠性，是本技术领域人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，以保证螺栓连接的可靠性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，其包括：
定义螺栓结构参数；
定义异种金属被连接件结构参数；
定义螺栓及被连接件材料力学参数及热物性参数；
简化建模及网格划分；
力学边界条件加载，热学边界条件加载；
定义接触对；
通过热力耦合仿真计算获取超深冷螺栓预紧力值及判断是否满足相应力学评价指标。
优选的，上述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法中，所述定义螺栓结构参数包括：
定义的螺栓结构参数包括：螺栓头紧固器直径e、螺栓头厚度k、标称直径D、螺栓长度lbolt和螺纹长度lthread，垫片结构参数包括：大垫片内径d1、大垫片外径d2和大垫片厚度hwasher。
优选的，上述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法中，所述定义异种金属被连接件结构参数包括：
根据实际情况中两种被连接件的厚度，第一层被连接件的厚度为1h1、第二层被连接件的厚度为2h2；
根据螺栓及垫片结构的最小尺寸可以进一步确定简化板长、板宽及网格单元的最小尺寸，
定义简化板模型的板长为length，板宽为width，网格单元的最小尺寸gridmin，则需要满足下面的建模条件：
Figure BDA0003377741800000021
优选的，上述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法中，所述定义螺栓及被连接件材料力学参数及热物性参数包括：
力学参数包括密度rho、杨氏模量E、泊松比nu；热物性参数包括热膨胀系数alpha，且由热膨胀系数计算得到的变形参数关联至力学参数。
优选的，上述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法中，所述简化建模及网格划分包括：
根据定义的螺栓结构参数、异种金属被连接件结构参数和螺栓及被连接件材料力学参数及热物性参数，建立螺栓预紧力分析的简化模型并划分网格。
优选的，上述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法中，所述力学边界条件加载，热学边界条件加载包括：
力学边界条件，包括常温下螺栓的预紧力和异种金属连接件的约束条件；
热学边界条件为室温至超深冷工况工作温度的转变。
优选的，上述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法中，所述力学边界条件，包括常温下螺栓的预紧力和异种金属连接件的约束条件，包括：
采用刚体运动抑制的位移约束方法：选择三个完全分离的非共线点，在三个方向上固定第一个点，将第二个点限制在从第一个点到第二个点的矢量法线的两个方向上，将最后一个点限制在垂直于由三个点形成的平面的方向上；
指定两个被连接件中第二层被连接件的底面z向位移为0。
优选的，上述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法中，所述定义接触对包括：
在垫片下表面和两个被连接件中第一层被连接件之间建立接触对，并采用增广拉格朗日法进行接触仿真计算获取超深冷螺栓预紧力值。
优选的，上述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法中，所述通过热力耦合仿真计算获取超深冷螺栓预紧力值及判断是否满足相应力学评价指标包括：
力学评价指标包括：
破坏扭矩：KFpcd<T；
螺栓切向力：Ftc<[(0.3/1.1)×Fpc]-[(0.24/1.1)×Fac]＝(0.273×Fpc)-(0.218×Fac)；
螺栓轴向力：受压螺栓Fac<Fpc；
受拉螺栓Fac<Fa-Fpc；
其中：K为拧紧系数；Fpc为低温预紧力；d为螺栓直径；T为螺栓破坏扭矩；Ftc为计算的低温切向力；Fpc为低温预紧力；Fac为计算的低温轴向力，受拉时为正，受压时为负；Fa为许用轴向力；
使用螺栓连接时，切向的验收标准由滑移阻力给出，轴向的验收标准由螺栓受压时由预紧力载荷给出，当螺栓受拉时由许用轴向力与预紧力的差值给出；
其中，滑移阻力的计算公式为：
Fsa＝(ks×n×μ×Fc)/γ，
式中，ks为几何因子，ks＝1.0；n为摩擦界面数；μ为滑移系数，μ＝0.3(C级表面)；γ为螺栓安全因子1.1；
Fc＝Fpc-0.8×Fac，
当摩擦界面数n为1时：
Fsa＝[(0.3/1.1)×Fpc]-[(0.24/1.1)×Fac]＝(0.273×Fpc)-(0.218×Fac)；
当摩擦界面数n为2时：
Fsa＝(0.546×Fpc)-(0.436×Fac)。
本发明提供了一种基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，该方案的计算量介于详细建模和简化建模之间，并给出了等效模型建模的原则和网格需要控制的最小尺寸；此外，本方案可以在不引入应力集中的情况下，采用计算量较小的简化模型进行热力耦合计算，并且保证计算收敛；采用本方案填补了超深冷工况下异种金属连接螺栓预紧力的校核方法的空白，并给出了基于破坏扭矩的评价标准和螺栓切向力、轴向力的评价标准，从而可以判断螺栓的连接的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中公开的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法的等效模拟图；
图2为本发明实施例中公开的常温下施加不同的预紧力对应的超深冷预紧力值图；
图3为本发明实施例中公开的当常温螺栓预紧力打到N时，在超深冷工况下的螺栓的内侧和外侧的轴向力图；
图4为本发明实施例中公开的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法的流程图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，以保证螺栓连接的可靠性。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本申请公开了一种基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，其包括以下步骤：
步骤S1：定义螺栓结构参数。
螺栓预紧力仿真分析一般采用两种方式进行建模，一种采用BEAM梁的简化建模方式，但该方式能够提取的螺栓力结果少，计算精度低；一种采用详细建模的方式，但该方式网格数量和计算量非常大，难以应用；
而本申请中采用一种通过建立接触对的方式简化螺纹特征的详细建模方式进行螺栓和垫片的建模，根据工程实际情况中采用的螺栓及垫片结构(例：两种被连接金属分别为304不锈钢和TC4钛合金，被连接件厚度分别为20mm和35mm，螺栓和垫片材料为304不锈钢，型号为M12)，需要定义的螺栓结构参数包括：螺栓头紧固器直径e(例如20[mm])、螺栓头厚度k(例如7.5[mm])、螺栓标称直径D(例如12[mm])、螺栓长度lbolt(例如45[mm])、螺纹长度lthread(例如22[mm])；
垫片结构参数包括：大垫片内径d1(例如13[mm])、大垫片外径d2(例如37[mm])、大垫片厚度hwasher(例如3[mm])。
步骤S2：定义异种金属被连接件结构参数。
根据工程实际情况中螺栓连接两个被连接件的厚度，首先可以确定等效建模时异种金属被连接件的厚度，其中，第一层被连接件：板厚1h1(例如20[mm])、第二层被连接件：板厚2h2(例如35[mm])，本申请中涉及到的异种金属被连接件即为第一层被连接件和第二层被连接件的材质不同。
在此基础，根据螺栓及垫片结构的最小尺寸可以进一步确定简化板长、板宽及网格单元的最小尺寸。简化板长、板宽及网格最小尺寸的确定需要满足两方面的需求，一方面根据圣威南原理，需要构建出足够大的简化板模型，一边模拟出无限大平板的受力状态；另一方面，根据简化模型对计算量的需求，需要尽可能减小等效板模型的尺寸，以便减少网格单元数量，进而减小计算量。此处需要说明的是，第一层被连接件和第二层被连接件的等效方式相同，优选的可将第一层被连接件和第二层被连接件简化为相同的尺寸和形状，具体的：
定义简化板模型的板长为length，板宽为width，网格单元的最小尺寸gridmin，则需要满足下面的建模条件：
Figure BDA0003377741800000061
在具体实施例中，如图1所示，可将金属的板长length均设定为100[mm]，板宽width均设定为100[mm]，网格单元的最小尺寸0.3mm。
步骤S3：定义螺栓及被连接件材料力学参数及热物性参数。
根据工程实际要求定义螺栓及被连接件的材料，在具体实施例中，该螺栓及垫片材料可为304不锈钢，上层被连接件为TC4钛合金，下层被连接件为304不锈钢。
为了后续进行热力耦合有限元分析，需要分别定义两种被连接件材料与超深冷温度相关的力学参数及热物性参数，具体的，力学参数包括密度rho、杨氏模量E、泊松比nu；热物性参数包括热膨胀系数alpha。
304不锈钢和TC4钛合金的材料参数如下，对于具体的参数可通过查表获取。
此外，下方表中的参数对应了从室温到超深冷温度区间内不同力学参数及热物性参数的计算公式。
Figure BDA0003377741800000071
Figure BDA0003377741800000081
Figure BDA0003377741800000082
步骤S4：简化建模及网格划分。
根据定义的螺栓结构参数、异种金属被连接件结构参数和螺栓及被连接件材料力学参数及热物性参数，建立螺栓预紧力分析的简化模型并划分网格，将网格单元的最小尺寸控制在0.3mm。
通过上述定义的参数后进行等效建模，对于采用的软件可根据实际需要设定，而对于划分的网格单元的尺寸也可根据不同的精度要求设定，且均在保护范围内。
步骤S5：力学边界条件加载。
施加力学边界条件，包括常温下螺栓的预紧力和异种金属连接件的约束条件。
建立螺栓预紧力施加截面，截面位置螺栓末端位置距离0.75lbolt。
为了避免过多的位移约束条件引入不符合工程实际的应力和防止位移约束不足导致的求解不收敛问题，本申请中的约束条件采用刚体运动抑制的位移约束方法。
具体的，选择三个完全分离的非共线点(对于三维模型)，在三个方向上固定第一个点，将第二个点限制在从第一个点到第二个点的矢量法线的两个方向上，将最后一个点限制在垂直于由三个点形成的平面的方向上。
为了防止求解不收敛，指定第二层被连接件的底面z向位移为0。
具体地，本例中力学边界条件为在截面位置螺栓末端位置距离11.5mm施加(0,500,3000N)的预紧力(从0N开始，每隔500N，计算一次，直到计算到3000N为止)，选择三个完全分离的非共线点(对于三维模型)，在三个方向上固定第一个点，将第二个点限制在从第一个点到第二个点的矢量法线的两个方向上，将最后一个点限制在垂直于由三个点形成的平面的方向上，指定第二层被连接件的底面z向位移为0。
步骤S6：热学边界条件加载。
由于热膨胀系数不同的异种金属被连接件在温度变化的情况下会产生应力，而应力会影响螺栓的预紧力，特别是在超深冷工况下，热应力可能直接导致螺栓失效。
当温度为室温293K时，第一层被连接件和第二层被连接件无应力时，如果我们将温度降低到20K，则可以找到由热膨胀系数不匹配引起的应力。由于我们知道各处的最终温度，因此不需要求解传热问题，可以直接将热学边界条件设置为室温至超深冷工况工作温度的转变，这种设置方式在材料热物性参数方面，可以省略材料热容和导热系数的设置，仅需要热膨胀系数即可计算。
具体地，本例中将热学边界条件设置为室温293K至超深冷工况20K工作温度的转变。
步骤S7：定义接触对。
由于简化建模未建立螺纹牙的实际有限元模型，热膨胀系数不匹配引起的应力可能导致模型发生穿透，因此需要进一步建立接触对。
具体地，在垫片下表面和第一层被连接件之间建立接触对，采用增广拉格朗日法进行接触仿真计算。
将垫片上表面和螺栓头下表面之间、螺纹啮合区域与下层连接件表面之间网格进行共节点处理，以便传导由热膨胀系数不匹配引起的应力。
步骤S8：通过热力耦合仿真计算获取超深冷螺栓预紧力值及判断是否满足相应力学评价指标。
根据上述设置，采用热力耦合仿真计算即可获取超深冷螺栓预紧力值，进一步可以通过计算判定超深冷工况下的螺栓预紧力和轴向力是否满足力学评价指标。
具体的，力学评价指标包括：
破坏扭矩：KFpcd<T；
螺栓切向力：Ftc<[(0.3/1.1)×Fpc]-[(0.24/1.1)×Fac]＝(0.273×Fpc)-(0.218×Fac)；
螺栓轴向力：受压螺栓Fac<Fpc；
受拉螺栓Fac<Fa-Fpc；
其中：K为拧紧系数；Fpc为低温预紧力；d为螺栓直径；T为螺栓破坏扭矩；Ftc为计算的低温切向力；Fpc为低温预紧力；Fac为计算的低温轴向力，受拉时为正，受压时为负；Fa为许用轴向力；
使用螺栓连接时，切向的验收标准由滑移阻力给出，轴向的验收标准由螺栓受压时由预紧力载荷给出，当螺栓受拉时由许用轴向力与预紧力的差值给出；
其中，滑移阻力的计算公式为：
Fsa＝(ks×n×μ×Fc)/γ，
式中，ks为几何因子，ks＝1.0；n为摩擦界面数；μ为滑移系数，μ＝0.3(C级表面)；γ为螺栓安全因子1.1；
Fc＝Fpc-0.8×Fac，
当摩擦界面数n为1时：
Fsa＝[(0.3/1.1)×Fpc]-[(0.24/1.1)×Fac]＝(0.273×Fpc)-(0.218×Fac)；
当摩擦界面数n为2时：
Fsa＝(0.546×Fpc)-(0.436×Fac)。
具体地，本例计算常温下施加(0,500,3000N)的预紧力对应的超深冷预紧力值如图2所示。查表可知，当常温螺栓预紧力打到N时，在超深冷工况下的螺栓预紧力扭矩小于破坏扭矩，螺栓轴向力和切向力满足许用条件，如图3所示。
本申请中涉及到的超深冷为一般在工作温度在-180℃以下，约-200℃左右，具体可用液氮设备制冷。
通过上述建模等效方法可知，本方案计算量介于详细建模和简化建模之间，并给出了等效模型建模的原则和网格需要控制的最小尺寸；此外，本方案可以在不引入内应力的情况下，采用计算量较小的简化模型进行热力耦合计算，并且保证计算收敛；采用本方案填补了超深冷工况下异种金属连接螺栓预紧力的校核方法的空白，并给出了基于破坏扭矩的评价标准和螺栓切向力、轴向力的评价标准，从而可以判断螺栓的连接的可靠性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，其特征在于，包括：
定义螺栓结构参数；
定义异种金属被连接件结构参数；
定义螺栓及被连接件材料力学参数及热物性参数；
简化建模及网格划分；
力学边界条件加载，热学边界条件加载；
定义接触对；
通过热力耦合仿真计算获取超深冷螺栓预紧力值及判断是否满足相应力学评价指标。
2.根据权利要求1所述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，其特征在于，所述定义螺栓结构参数包括：
定义的螺栓结构参数包括：螺栓头紧固器直径e、螺栓头厚度k、标称直径D、螺栓长度lbolt和螺纹长度lthread，垫片结构参数包括：大垫片内径d1、大垫片外径d2和大垫片厚度hwasher。
3.根据权利要求1所述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，其特征在于，所述定义异种金属被连接件结构参数包括：
根据实际情况中两种被连接件的厚度，第一层被连接件的厚度为1h1、第二层被连接件的厚度为2h2；
根据螺栓及垫片结构的最小尺寸可以进一步确定简化板长、板宽及网格单元的最小尺寸，
定义简化板模型的板长为length，板宽为width，网格单元的最小尺寸gridmin，则需要满足下面的建模条件：
Figure FDA0003377741790000011
4.根据权利要求1所述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，其特征在于，所述定义螺栓及被连接件材料力学参数及热物性参数包括：
力学参数包括密度rho、杨氏模量E、泊松比nu；热物性参数包括热膨胀系数alpha，且由热膨胀系数计算得到的变形参数关联至力学参数。
5.根据权利要求1所述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，其特征在于，所述简化建模及网格划分包括：
根据定义的螺栓结构参数、异种金属被连接件结构参数和螺栓及被连接件材料力学参数及热物性参数，建立螺栓预紧力分析的简化模型并划分网格。
6.根据权利要求1所述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，其特征在于，所述力学边界条件加载，热学边界条件加载包括：
力学边界条件，包括常温下螺栓的预紧力和异种金属连接件的约束条件；
热学边界条件为室温至超深冷工况工作温度的转变。
7.根据权利要求6所述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，其特征在于，所述力学边界条件，包括常温下螺栓的预紧力和异种金属连接件的约束条件，包括：
采用刚体运动抑制的位移约束方法：选择三个完全分离的非共线点，在三个方向上固定第一个点，将第二个点限制在从第一个点到第二个点的矢量法线的两个方向上，将最后一个点限制在垂直于由三个点形成的平面的方向上；
指定两个被连接件中第二层被连接件的底面z向位移为0。
8.根据权利要求1所述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，其特征在于，所述定义接触对包括：
在垫片下表面和两个被连接件中第一层被连接件之间建立接触对，并采用增广拉格朗日法进行接触仿真计算获取超深冷螺栓预紧力值。
9.根据权利要求1所述的基于简化建模的超深冷异种金属连接螺栓预紧力校核方法，其特征在于，所述通过热力耦合仿真计算获取超深冷螺栓预紧力值及判断是否满足相应力学评价指标包括：
力学评价指标包括：
破坏扭矩：KFpcd<T；
螺栓切向力：Ftc<[(0.3/1.1)×Fpc]-[(0.24/1.1)×Fac]＝(0.273×Fpc)-(0.218×Fac)；
螺栓轴向力：受压螺栓Fac<Fpc；
受拉螺栓Fac<Fa-Fpc；
其中：K为拧紧系数；Fpc为低温预紧力；d为螺栓直径；T为螺栓破坏扭矩；Ftc为计算的低温切向力；Fpc为低温预紧力；Fac为计算的低温轴向力，受拉时为正，受压时为负；Fa为许用轴向力；
使用螺栓连接时，切向的验收标准由滑移阻力给出，轴向的验收标准由螺栓受压时由预紧力载荷给出，当螺栓受拉时由许用轴向力与预紧力的差值给出；
其中，滑移阻力的计算公式为：
Fsa＝(ks×n×μ×Fc)/γ，
式中，ks为几何因子，ks＝1.0；n为摩擦界面数；μ为滑移系数，μ＝0.3(C级表面)；γ为螺栓安全因子1.1；
Fc＝Fpc-0.8×Fac，
当摩擦界面数n为1时：
Fsa＝[(0.3/1.1)×Fpc]-[(0.24/1.1)×Fac]＝(0.273×Fpc)-(0.218×Fac)；
当摩擦界面数n为2时：
Fsa＝(0.546×Fpc)-(0.436×Fac)。
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