CN114670009A - 一种螺栓组的装配方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种螺栓组的装配方法，包括：将所述螺栓组的基础数据作为已知量；获取所述螺栓组在至少两个预紧策略下的弹性相互作用矩阵，其中，所述预紧策略为按照预设顺序逐步预紧所述螺栓组内各螺栓的策略；基于所述已知量和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型；通过所述螺栓组预紧参数优化模型确定所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧策略和所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧力；根据所述目标预紧策略和所述目标预紧力完成对所述螺栓组的装配。通过不同策略对应的弹性相互作用矩阵，在各步预紧操作中进行预紧策略的选择，优化每一步各颗螺栓上施加的预紧力，最终在满足连接件强度约束以及螺栓强度等约束等条件下给出最优预紧方法。

Description

一种螺栓组的装配方法

技术领域

本申请涉及螺栓装配技术领域，尤其是涉及一种螺栓组的装配方法。

背景技术

动车组电力系统中的变压器等重要电气设备，通常采用螺栓连接的方式进行装配连接。目前装配连接的工艺一般不对螺栓组预紧完成后的连接质量进行评价，使得装配完成后各螺栓上的夹紧力不一致，螺栓组的连接质量不高，进而在日常运行中由于各类工况的影响使其螺栓连接可靠性逐渐降低，影响工作性能，甚至产生重大安全事故。而螺栓连接装配中预紧工艺参数的优化对于螺栓组预紧完成后的整体性能提升有重要影响。

螺栓连接是一种典型的非线性结构，现有预紧工艺在确定预紧力时一般通过查询机械设计手册或者依据以往经验，并不能准确保证连接质量。现有技术一般是基于以往经验以及相关机械手册来进行预紧工艺，此种预紧工艺在针对不同材料的连接件以及不同型号的螺栓时会产生较大误差，在实际装配过程中，拧紧某个螺栓会对已经拧紧的螺栓产生影响(螺栓间弹性相互作用)，使得拧紧后的螺栓夹紧力会改变，进而造成连接的可靠性不高。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种螺栓组的装配方法，在弹性相互作用矩阵的影响下，保证连接件性能要求以及螺栓和连接件连接强度约束的前提下，确保拧紧后螺栓组各螺栓平均夹紧力最大，夹紧力方差最小。通过建立的螺栓组预紧参数优化模型来优化预紧工艺参数中各步预紧策略的选取以及各颗螺栓每一步预紧力的大小，使得的最终的连接质量达到最佳。

本申请实施例提供了一种螺栓组的装配方法，包括：

获取所述螺栓组的基础数据；

获取所述螺栓组在至少两个预紧策略下的弹性相互作用矩阵，其中，所述预紧策略为按照预设顺序逐步预紧所述螺栓组内各螺栓的策略；

基于所述基础数据和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型；

通过所述螺栓组预紧参数优化模型确定所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧策略和所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧力；

根据所述目标预紧策略和所述目标预紧力完成对所述螺栓组的装配。

可选的，所述螺栓组的基础数据包括：螺栓螺纹小径、螺栓螺帽直径、螺栓材料的屈服强度、安全系数、第一被连接件的屈服强度、第二被连接件的屈服强度、结合面工作强度和螺栓连接接触面积。

可选的，所述基于所述基础数据和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型的步骤，包括：

设置所述螺栓组预紧参数优化模型的决策变量：

F_i,l第i颗螺栓第l步施加的预紧力 i∈N,l∈L

基于所述基础数据、所述x_l,k、所述F_i,l和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型，其中，预紧策略中的预紧步骤集合为L，预紧策略集合为K，螺栓组内螺栓的集合为N。

可选的，所述基于所述基础数据和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型的步骤，还包括：

构建目标函数：

基于所述基础数据、所述决策变量、所述目标函数和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型，其中，F_{avg_max}为螺栓组各螺栓的最大接触压力，F_{bzc_max}为最大接触压力对应的标准差。

可选的，所述基于所述基础数据和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型的步骤，还包括：

设置所述螺栓组预紧参数优化模型的约束条件：

预紧力平均值等于最后一步预紧后各颗螺栓的夹紧力均值：

预紧力方差等于最后一步预紧后各颗螺栓的夹紧力方差：

第i颗螺栓第l步预紧后该螺栓上的夹紧力受到该螺栓上第l-1步最终的夹紧力和第l步预紧力的大小以及第l步预紧策略的选取共同作用：

每一步预紧时各螺栓上的材料许用应力约束：

每一步预紧后各螺栓上的材料许用应力约束：

目标被连接件结合第一面应力强度约束:

结合面工作应力强度约束：

目标被连接件结合第二面应力强度约束：

每一步策略选取唯一性约束：

0，1决策变量约束：

基于所述基础数据、所述决策变量、所述目标函数、所述约束条件和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型。

可选的，所述通过所述螺栓组预紧参数优化模型确定所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧策略和所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧力的步骤，包括：

基于所述目标螺栓分别在所述至少两个预紧策略内的位置确定所述目标螺栓的目标预紧策略，即，目标函数达到最小值时的预紧策略。

基于所述目标预紧策略确定所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧力。

通过建立的螺栓组预紧参数优化模型来优化预紧工艺参数中各步预紧策略的选取以及各颗螺栓每一步预紧力的大小，使得的最终的连接质量达到最佳。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本申请实施例所提供的一种螺栓组的装配方法的流程图；

图2示出了本申请实施例所提供的一种螺栓组的装配连接图；

图3示出了本申请实施例所提供的一种螺栓组的装配方法在三步预紧工况下螺栓组预紧参数优化求解结果对比图；

图4示出了本申请实施例所提供的一种螺栓组的装配方法的具体流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的每个其他实施例，都属于本申请保护的范围。

首先，对本申请可适用的应用场景进行介绍。本申请可应用于需要对螺栓组进行装配的工厂或者车间。

经研究发现，目前装配连接的工艺一般不对螺栓组预紧完成后的连接质量进行评价，使得装配完成后各螺栓上的夹紧力不一致，螺栓组的连接质量不高，进而在日常运行中由于各类工况的影响使其螺栓连接可靠性逐渐降低，影响工作性能，甚至产生重大安全事故。而螺栓连接装配中预紧工艺参数的优化对于螺栓组预紧完成后的整体性能提升有重要影响。

螺栓连接是一种典型的非线性结构，现有预紧工艺在确定预紧力时一般通过查询机械设计手册或者依据以往经验，并不能准确保证连接质量。现有技术一般是基于以往经验以及相关机械手册来进行预紧工艺，此种预紧工艺在针对不同材料的连接件以及不同型号的螺栓时会产生较大误差，在实际装配过程中，拧紧某个螺栓会对已经拧紧的螺栓产生影响(螺栓间弹性相互作用)，使得拧紧后的螺栓夹紧力会改变，进而造成连接的可靠性不高。

基于此，本申请实施例提供了一种螺栓组的装配方法，以优化每一步各颗螺栓上施加的预紧力，最终在满足连接件强度约束以及螺栓强度等约束等条件下给出最优预紧方案。

如图1中所示，本申请实施例提供的一种螺栓组的装配方法，包括：

S101、获取所述螺栓组的基础数据；

S102、获取所述螺栓组在至少两个预紧策略下的弹性相互作用矩阵，其中，所述预紧策略为按照预设顺序逐步预紧所述螺栓组内各螺栓的策略；

S103、基于所述基础数据和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型；

S104、通过所述螺栓组预紧参数优化模型确定所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧策略和所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧力；

S105、根据所述目标预紧策略和所述目标预紧力完成对所述螺栓组的装配。

如图4所示，一种螺栓组的装配方法，包括：

1、从excel读取相关已知参数

该部分通过两个excel表格读取已知参数包含螺栓和连接件的参数，螺栓组中螺栓、预紧的步骤、预紧策略的集合。

以及不同预紧顺序对应的弹性相互作用矩阵。其中，弹性相互作用矩阵的个数与预紧策略的个数相同。

2、将以上数据代入模型进行预紧参数优化

将以上表格中数据代入数学模型进行求解。关于预紧过程中每一步预紧策略的选取x_l,k，以及各颗螺栓上施加的预紧力F_i,l，通过模型在运算求解后给出。

3、得到每一步预紧时的预紧策略，及各颗螺栓上施加的预紧力，使得螺栓组连接质量最高。

在一种可能的实施方式中，所述螺栓组的基础数据包括：螺栓螺纹小径、螺栓螺帽直径、螺栓材料的屈服强度、安全系数、第一被连接件的屈服强度、第二被连接件的屈服强度、结合面工作强度和螺栓连接接触面积。

在一种可能的实施方式中，所述基于所述基础数据和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型的步骤，包括：

设置所述螺栓组预紧参数优化模型的决策变量：

F_i,l第i颗螺栓第l步施加的预紧力 i∈N,l∈L

基于所述基础数据、所述x_l,k、所述F_i,l和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型，其中，预紧策略中的预紧步骤集合为L，预紧策略集合为K，螺栓组内螺栓的集合为N。

在一种可能的实施方式中，所述基于所述基础数据和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型的步骤，还包括：

构建目标函数：

基于所述基础数据、所述决策变量、所述目标函数和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型，其中，F_{avg_max}为螺栓组各螺栓的最大接触压力，F_{bzc_max}为最大接触压力对应的标准差。

在一种可能的实施方式中，所述基于所述基础数据和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型的步骤，还包括：

设置所述螺栓组预紧参数优化模型的约束条件：

预紧力平均值等于最后一步预紧后各颗螺栓的夹紧力均值：

预紧力方差等于最后一步预紧后各颗螺栓的夹紧力方差：

第i颗螺栓第l步预紧后该螺栓上的夹紧力受到该螺栓上第l-1步最终的夹紧力和第l步预紧力的大小以及第l步预紧策略的选取共同作用：

每一步预紧时各螺栓上的材料许用应力约束：

每一步预紧后各螺栓上的材料许用应力约束：

目标被连接件结合第一面应力强度约束:

结合面工作应力强度约束：

目标被连接件结合第二面应力强度约束：

每一步策略选取唯一性约束：

0，1决策变量约束：

基于所述基础数据、所述决策变量、所述目标函数、所述约束条件和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型。

在一种可能的实施方式中，所述通过所述螺栓组预紧参数优化模型确定所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧策略和所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧力的步骤，包括：

基于所述目标螺栓分别在所述至少两个预紧策略内的位置确定所述目标螺栓的目标预紧策略；

基于所述目标预紧策略确定所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧力。

示例性的，本算例取N＝8、L＝3、K＝4作为算例进行求解，所述螺栓组的基础数据为：

如图2螺栓组内螺栓标号所述，所述预紧策略为：

策略1：按螺栓序号逐个拧紧，预紧顺序：1-2-3-4-5-6-7-8。

策略2：从中间向两侧按对角形式依次拧紧，预紧顺序：2-7-3-6-4-5-1-8

策略3：按照列数从左到右依次进行拧紧，预紧顺序：1-5-2-6-3-7-4-8

策略4：从两侧向中间按对角形式依次拧紧，预紧顺序：1-8-4-5-3-6-2-7

得到对应所述策略的弹性相互作用矩阵：

表1.1采取策略1预紧时螺栓间弹性相互作用矩阵

表1.2采取策略2预紧时螺栓间弹性相互作用矩阵

表1.3采取策略3预紧时螺栓间弹性相互作用矩阵

表1.4采取策略4预紧时螺栓间弹性相互作用矩阵

如图3所示，基于所述优化的预紧参数求解结果与按照单一预紧策略进行预紧的结果进行对比，得到所述优化的预紧参数求解结果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。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，又例如，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通信接口，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。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种螺栓组的装配方法，其特征在于，包括：

获取所述螺栓组的基础数据；

获取所述螺栓组在至少两个预紧策略下的弹性相互作用矩阵，其中，所述预紧策略为按照预设顺序逐步预紧所述螺栓组内各螺栓的策略；

基于所述基础数据和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型；

通过所述螺栓组预紧参数优化模型确定所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧策略和所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧力；

根据所述目标预紧策略和所述目标预紧力完成对所述螺栓组的装配。

2.根据权利要求1所述的螺栓组的装配方法，其特征在于，所述螺栓组的基础数据包括：螺栓螺纹小径、螺栓螺帽直径、螺栓材料的屈服强度、安全系数、第一被连接件的屈服强度、第二被连接件的屈服强度、结合面工作强度和螺栓连接接触面积。

3.根据权利要求2所述的螺栓组的装配方法，其特征在于，所述基于所述基础数据和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型的步骤，包括：

设置所述螺栓组预紧参数优化模型的决策变量：

F_i,l第i颗螺栓第l步施加的预紧力 i∈N,l∈L

基于所述基础数据、所述x_l,k、所述F_i,l和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型，其中，预紧策略中的预紧步骤集合为L，预紧策略集合为K，螺栓组内螺栓的集合为N。

4.根据权利要求3所述的螺栓组的装配方法，其特征在于，所述基于所述基础数据和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型的步骤，还包括：

构建目标函数：

基于所述基础数据、所述决策变量、所述目标函数和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型，其中，F_{avg_max}为螺栓组各螺栓的最大接触压力，F_{bzc_max}为最大接触压力对应的标准差。

5.根据权利要求3或4所述的螺栓组的装配方法，其特征在于，所述基于所述基础数据和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型的步骤，还包括：

设置所述螺栓组预紧参数优化模型的约束条件：

预紧力平均值等于最后一步预紧后各颗螺栓的夹紧力均值：

预紧力方差等于最后一步预紧后各颗螺栓的夹紧力方差：

第i颗螺栓第l步预紧后该螺栓上的夹紧力受到该螺栓上第l-1步最终的夹紧力和第l步预紧力的大小以及第l步预紧策略的选取共同作用：

每一步预紧时各螺栓上的材料许用应力约束：

每一步预紧后各螺栓上的材料许用应力约束：

目标被连接件结合第一面应力强度约束:

结合面工作应力强度约束：

目标被连接件结合第二面应力强度约束：

每一步策略选取唯一性约束：

0，1决策变量约束：

基于所述基础数据、所述决策变量、所述目标函数、所述约束条件和所述弹性相互作用矩阵构建螺栓组预紧参数优化模型。

6.根据权利要求5所述的螺栓组的装配方法，其特征在于，所述通过所述螺栓组预紧参数优化模型确定所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧策略和所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧力的步骤，包括：

基于所述目标螺栓分别在所述至少两个预紧策略内的位置确定所述目标螺栓的目标预紧策略；

基于所述目标预紧策略确定所述螺栓组内目标螺栓的目标预紧力。

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