CN114492145A - 一种基于cae的结构件静强度分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于CAE的结构件静强度分析方法及系统，方法包括：获取飞轮的有限元分析模型并设置飞轮的接触关系及约束边界，对飞轮进行静强度分析，得到应力分析结果，应力分析结果包括各单元的应力；将应力分析结果导入至疲劳分析软件中，以对飞轮的各单元进行静态过载安全系数分析，根据分析结果修正材料许用极限，从而获得静态过载安全系数；判断静态过载安全系数是否不小于预设阈值；若是，则飞轮强度满足强度设计要求。上述基于CAE的结构件静强度分析方法，并通过飞轮各单元的静态过载安全系数评估其能否通过爆裂转速试验，避免了传统的飞轮CAE分析方法以应力作为评价指标，容易过设计的问题。

Description

一种基于CAE的结构件静强度分析方法及系统

技术领域

本发明涉及发动机静强度分析技术领域，特别涉及一种基于CAE的结构件静强度分析方法及系统。

背景技术

发动机运行时会产生强烈的振动，因此要求各个零部件必须具有足够的强度。静强度分析研究结构在常温条件下承受载荷的能力，通常简称为强度分析。静强度除研究承载能力外，还包括结构抵抗变形的能力（刚度）和结构在载荷作用下的响应（应力分布、变形形状、屈曲模态等）特性。

发动机飞轮作为转动惯量很大的盘形零件，其作用如同一个能量存储器，主要作用是储存发动机做功冲程外的能量和惯性。在曲轴的动力输出端，也就是连变速箱和连接做功设备的那边。

现有技术当中，飞轮CAE分析方法以应力作为评价指标，但会出现应力结果远大于材料许用极限却能通过爆裂转速试验的情况，最终造成了过设计。因此迫切需要开发一种更吻合爆裂转速试验结果的飞轮CAE分析方法。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种基于CAE的结构件静强度分析方法及系统，用于解决现有技术中飞轮CAE分析方法以应力作为评价指标，容易造成过设计的技术问题。

本发明一方面提供一种基于CAE的结构件静强度分析方法，所述方法包括：

获取飞轮的有限元分析模型；

基于所述有限元分析模型设置所述飞轮的接触关系以及约束边界，并对所述飞轮进行爆裂转速试验工况下的静强度分析，得到应力分析结果，所述应力分析结果包括各单元的应力及相对应力梯度分布；

将所述应力分析结果导入至疲劳分析软件中，以对所述飞轮的各单元进行静态过载安全系数分析，根据所述分析结果修正材料许用极限，根据修正后的材料许用极限以及所述应力获得静态过载安全系数；

判断所述静态过载安全系数是否不小于预设阈值；

若是，则所述飞轮能通过爆裂转速试验，强度满足强度设计要求。

上述基于CAE的结构件静强度分析方法，通过对飞轮进行爆裂转速试验工况下的静强度分析，得到的应力分析结果导入至疲劳分析软件中，以对飞轮的各单元进行静态过载安全系数分析，从而准确获得飞轮各单元的静态过载安全系数，并通过飞轮各单元的静态过载安全系数评估其能否通过爆裂转速试验，避免了传统的飞轮CAE分析方法以应力作为评价指标，容易出现应力结果远大于材料许用极限却能通过爆裂转速试验的情况，使得本申请中的分析方法更吻合爆裂转速试验结果，避免过设计，解决了现有技术中飞轮CAE分析方法以应力作为评价指标，容易造成过设计的技术问题。

另外，根据本发明上述的基于CAE的结构件静强度分析方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述对所述飞轮进行爆裂转速试验工况下的静强度分析的步骤包括：

使用线性材料参数，对所述飞轮施加载荷，并设置分析步，从而进行静强度分析，所述材料参数包括抗拉强度。

进一步地，在对所述飞轮施加载荷的步骤中，施加的载荷包括：

施加螺栓预紧力、固定螺栓长度以及对整个模型加载爆裂转速离心力。

进一步地，在基于所述有限元分析模型设置所述飞轮的接触关系以及约束边界的步骤中，所述接触关系包括：

飞轮与曲轴后端的接触、螺帽与飞轮的接触、螺栓与曲轴后端的接触以及飞轮与齿圈的接触。

进一步地，在基于所述有限元分析模型设置所述飞轮的接触关系以及约束边界的步骤中，所述约束边界包括：

固定曲轴一端。

进一步地，所述建立飞轮的有限元分析模型的步骤之前包括：

根据飞轮的模型参数建立三维数模；

根据所述三维数模建立飞轮的有限元分析模型。

进一步地，所述判断所述静态过载安全系数是否不小于预设阈值的步骤之后包括：

若否，则所述飞轮未能通过爆裂转速试验，优化所述三维数模。

本发明另一方面提供一种基于CAE的结构件静强度分析系统，所述系统包括：

获取模块，用于建立飞轮的有限元分析模型；

静强度分析模块，基于所述有限元分析模型设置所述飞轮的接触关系以及约束边界，并对所述飞轮进行爆裂转速试验工况下的静强度分析，得到应力分析结果，所述应力分析结果包括各单元的应力及相对应力梯度分布；

修正模块，用于将所述应力分析结果导入至疲劳分析软件中，以对所述飞轮的各单元进行静态过载安全系数分析，根据所述分析结果修正材料许用极限，根据修正后的材料许用极限以及所述应力获得静态过载安全系数；

判断模块，用于判断所述静态过载安全系数是否不小于预设阈值；

第一执行单元，用于当所述静态过载安全系数不小于预设阈值时，则所述飞轮能通过爆裂转速试验，强度满足强度设计要求。

附图说明

图1为本申请中的飞轮静态过载安全系数CAE分析原理图；

图2为本发明第一实施例中基于CAE的结构件静强度分析方法的流程图；

图3为本发明第二实施例中基于CAE的结构件静强度分析方法的流程图；

图4为本发明第二实施例中静态过载安全系数计算分析图；

图5为本发明第三实施例中基于CAE的结构件静强度分析系统的系统框图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请中的结构件静强度分析方法，以发动机飞轮作为研究对象，改变使用传统的静强度分析方法出现的应力结果远大于材料许用极限却能通过爆裂试验的现状，有效避免了过设计。

请参见图1所示为本申请中的飞轮静态过载安全系数CAE分析原理图，通过建立飞轮的三维数模，而后将三维数模导入至有限元分析软件中从而建立有限元分析模型，再对建立的有限元分析模型进行爆裂转速试验工况下的静强度分析，从而得出静态过载安全系数并进行分析，当静态过载安全系数满足预设指标时，则该飞轮的强度满足强度设计要求，否则需要对飞轮的三维数模进行优化设计，直至飞轮的强度满足强度设计要求。在本申请中，通过准确获得飞轮各处的静态过载安全系数，评估其是否能通过爆裂转速试验，相较于传统的静强度分析方法，更吻合爆裂转速试验结果，避免过设计。

实施例一

请参阅图2，所示为本发明第一实施例中的基于CAE的结构件静强度分析方法，所述方法包括步骤S101-S105：

S101、获取飞轮的有限元分析模型。

S102、基于有限元分析模型设置飞轮的接触关系以及约束边界，并对飞轮进行爆裂转速试验工况下的静强度分析，得到应力分析结果，应力分析结果包括各单元的应力及相对应力梯度分布。

作为一个具体示例，使用线性材料参数，对飞轮施加载荷，并设置分析步，从而进行静强度分析，材料参数包括抗拉强度。具体的，施加的载荷包括施加螺栓预紧力、固定螺栓长度以及对整个模型加载爆裂转速离心力。

接触关系包括飞轮与曲轴后端的接触、螺帽与飞轮的接触、螺栓与曲轴后端的接触以及飞轮与齿圈的接触。约束边界包括固定曲轴一端。

S103、将应力分析结果导入至疲劳分析软件中，以对飞轮的各单元进行静态过载安全系数分析，根据分析结果修正材料许用极限，根据修正后的材料许用极限以及应力获得静态过载安全系数。

S104、判断静态过载安全系数是否不小于预设阈值。

S105、当静态过载安全系数不小于预设阈值时，则飞轮能通过爆裂转速试验，强度满足强度设计要求。

综上，本发明上述实施例当中的基于CAE的结构件静强度分析方法，通过对飞轮进行爆裂转速试验工况下的静强度分析，得到的应力分析结果导入至疲劳分析软件中，以对飞轮的各单元进行静态过载安全系数分析，从而准确获得飞轮各单元的静态过载安全系数，并通过飞轮各单元的静态过载安全系数评估其能否通过爆裂转速试验，避免了传统的飞轮CAE分析方法以应力作为评价指标，容易出现应力结果远大于材料许用极限却能通过爆裂转速试验的情况，使得本申请中的分析方法更吻合爆裂转速试验结果，避免过设计，解决了现有技术中飞轮CAE分析方法以应力作为评价指标，容易造成过设计的技术问题。

实施例二

请查阅图3，所示为本发明第二实施例中的基于CAE的结构件静强度分析方法，所述方法包括步骤S201-S208：

S201、根据飞轮的模型参数建立三维数模。

S202、根据三维数模建立飞轮的有限元分析模型。

建立飞轮的有限元分析模型，有限元分析模型包括飞轮本体、齿圈、螺栓及部分曲轴后端。

S203、获取飞轮的有限元分析模型。

S204、基于有限元分析模型设置飞轮的接触关系以及约束边界，并对飞轮进行爆裂转速试验工况下的静强度分析，得到应力分析结果，应力分析结果包括各单元的应力及相对应力梯度分布。

在上述步骤中，导入有限元分析软件，设置接触关系及约束边界，具体接触关系及约束边界请参见表1。

表1：

S205、将应力分析结果导入至疲劳分析软件中，以对飞轮的各单元进行静态过载安全系数分析，根据分析结果修正材料许用极限，根据修正后的材料许用极限以及应力获得静态过载安全系数。

作为一个具体示例，请参阅表2，使用线性材料参数，施加载荷，设置分析步，进行静强度分析。

表2：

将获得的应力分析结果导入FEMFAT疲劳分析软件，设置材料抗拉强度，进行静态过载安全系数分析。

请参见图4，修正的材料许用应力与零件的相对应力梯度成线性关系，具体见图4中A，其中材料的抗拉及抗弯强度通过实验获得，b为实验试棒的横截面直径。修正的材料许用应力有极限值，可通过图4中B的双曲线与线性应力应变关系直线相交获得，具体的，修正的材料许用应力极限=（材料抗拉强度x材料断裂延伸率x材料弹性模量）^1/2，作为一个具体示例，静态过载安全系数的计算公式为：

SF_BREAK=σ_ADMISSIBLE/σ_FEmax

其中，SF_BREAK为静态过载安全系数，σ_ADMISSIBLE为根据相对应力梯度修正的材料许用应力极限，σ_FEmax为零件的最大应力，在本申请中，σ_FEmax即为飞轮的最大应力。

S206、判断静态过载安全系数是否不小于预设阈值。

具体的，接受标准：SF_BREAK>1.1。

若是，则执行步骤S207；

若否，则执行步骤S208；

S207、飞轮能通过爆裂转速试验，强度满足强度设计要求。

S208、飞轮未能通过爆裂转速试验，优化三维数模。

在本申请中，通过准确获得飞轮各处的静态过载安全系数，评估其是否能通过爆裂转速试验，相较于传统的静强度分析方法，更吻合爆裂转速试验结果，避免过设计。

需要指出的是，本发明第二实施例所提供的方法，其实现原理及产生的一些技术效果和第一实施例相同，为简要描述，本实施例未提及之处，可参考第一实施例中相应内容。

综上，本发明上述实施例当中的基于CAE的结构件静强度分析方法，通过对飞轮进行爆裂转速试验工况下的静强度分析，得到的应力分析结果导入至疲劳分析软件中，以对飞轮的各单元进行静态过载安全系数分析，从而准确获得飞轮各单元的静态过载安全系数，并通过飞轮各单元的静态过载安全系数评估其能否通过爆裂转速试验，避免了传统的飞轮CAE分析方法以应力作为评价指标，容易出现应力结果远大于材料许用极限却能通过爆裂转速试验的情况，使得本申请中的分析方法更吻合爆裂转速试验结果，避免过设计，解决了现有技术中飞轮CAE分析方法以应力作为评价指标，容易造成过设计的技术问题。

实施例三

请参阅图5，所示为本发明第三实施例中的基于CAE的结构件静强度分析系统，所述系统包括：

获取模块，用于获取飞轮的有限元分析模型；

静强度分析模块，基于所述有限元分析模型设置所述飞轮的接触关系以及约束边界，并对所述飞轮进行爆裂转速试验工况下的静强度分析，得到应力分析结果，所述应力分析结果包括各单元的应力及相对应力梯度分布；

修正模块，用于将所述应力分析结果导入至疲劳分析软件中，以对所述飞轮的各单元进行静态过载安全系数分析，根据所述分析结果修正材料许用极限，根据修正后的材料许用极限以及所述应力获得静态过载安全系数；

判断模块，用于判断所述静态过载安全系数是否不小于预设阈值；

第一执行单元，用于当所述静态过载安全系数不小于预设阈值时，则所述飞轮能通过爆裂转速试验，强度满足强度设计要求。

在一些可选实施例中，获取模块之前包括：

三维数模建立模块，用于根据飞轮的模型参数建立三维数模；

有限元模型建立模块，用于根据所述三维数模建立飞轮的有限元分析模型。

在一些可选实施例中，判断模块之后包括：

第二执行单元，用于当所述静态过载安全系数小于预设阈值时，则所述飞轮未能通过爆裂转速试验，优化所述三维数模。

综上，本发明上述实施例当中的基于CAE的结构件静强度分析系统，通过对飞轮进行爆裂转速试验工况下的静强度分析，得到的应力分析结果导入至疲劳分析软件中，以对飞轮的各单元进行静态过载安全系数分析，从而准确获得飞轮各单元的静态过载安全系数，并通过飞轮各单元的静态过载安全系数评估其能否通过爆裂转速试验，避免了传统的飞轮CAE分析方法以应力作为评价指标，容易出现应力结果远大于材料许用极限却能通过爆裂转速试验的情况，使得本申请中的分析方法更吻合爆裂转速试验结果，避免过设计，解决了现有技术中飞轮CAE分析方法以应力作为评价指标，容易造成过设计的技术问题。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于CAE的结构件静强度分析方法，其特征在于，所述方法包括：

获取飞轮的有限元分析模型；

基于所述有限元分析模型设置所述飞轮的接触关系以及约束边界，并对所述飞轮进行爆裂转速试验工况下的静强度分析，得到应力分析结果，所述应力分析结果包括各单元的应力及相对应力梯度分布；

将所述应力分析结果导入至疲劳分析软件中，以对所述飞轮的各单元进行静态过载安全系数分析，根据所述分析结果修正材料许用极限，根据修正后的材料许用极限以及所述应力获得静态过载安全系数；

判断所述静态过载安全系数是否不小于预设阈值；

若是，则所述飞轮能通过爆裂转速试验，强度满足强度设计要求。

2.根据权利要求1所述的基于CAE的结构件静强度分析方法，其特征在于，所述对所述飞轮进行爆裂转速试验工况下的静强度分析的步骤包括：

使用线性材料参数，对所述飞轮施加载荷，并设置分析步，从而进行静强度分析，所述材料参数包括抗拉强度。

3.根据权利要求2所述的基于CAE的结构件静强度分析方法，其特征在于，在对所述飞轮施加载荷的步骤中，施加的载荷包括：

施加螺栓预紧力、固定螺栓长度以及对整个模型加载爆裂转速离心力。

4.根据权利要求1所述的基于CAE的结构件静强度分析方法，其特征在于，在基于所述有限元分析模型设置所述飞轮的接触关系以及约束边界的步骤中，所述接触关系包括：

飞轮与曲轴后端的接触、螺帽与飞轮的接触、螺栓与曲轴后端的接触以及飞轮与齿圈的接触。

5.根据权利要求1所述的基于CAE的结构件静强度分析方法，其特征在于，在基于所述有限元分析模型设置所述飞轮的接触关系以及约束边界的步骤中，所述约束边界包括：

固定曲轴一端。

6.根据权利要求1所述的基于CAE的结构件静强度分析方法，其特征在于，所述获取飞轮的有限元分析模型的步骤之前包括：

根据飞轮的模型参数建立三维数模；

根据所述三维数模建立飞轮的有限元分析模型。

7.根据权利要求6所述的基于CAE的结构件静强度分析方法，其特征在于，所述判断所述静态过载安全系数是否不小于预设阈值的步骤之后包括：

若否，则所述飞轮未能通过爆裂转速试验，优化所述三维数模。

8.一种基于CAE的结构件静强度分析系统，其特征在于，所述系统包括：

获取模块，用于获取飞轮的有限元分析模型；

静强度分析模块，基于所述有限元分析模型设置所述飞轮的接触关系以及约束边界，并对所述飞轮进行爆裂转速试验工况下的静强度分析，得到应力分析结果，所述应力分析结果包括各单元的应力及相对应力梯度分布；

修正模块，用于将所述应力分析结果导入至疲劳分析软件中，以对所述飞轮的各单元进行静态过载安全系数分析，根据所述分析结果修正材料许用极限，根据修正后的材料许用极限以及所述应力获得静态过载安全系数；

判断模块，用于判断所述静态过载安全系数是否不小于预设阈值；

第一执行单元，用于当所述静态过载安全系数不小于预设阈值时，则所述飞轮能通过爆裂转速试验，强度满足强度设计要求。

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