CN117390914A - 一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法，包括：利用建模软件建立螺栓、螺母以及夹件的模型，构建虚拟螺纹模型；设置虚拟螺纹模型中的材料属性以及材料的蠕变参数；设置虚拟螺纹模型的模型约束以及螺栓轴向预紧力；设置模型每个零件间的接触设置以及摩擦设置；设置加载分析步以及每个分析步的时间；设置牙形角以及螺距的数值；进行计算以及静力学分析。本发明有益效果：一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法，建立了蠕变螺栓预紧力衰减有限元模型，可以通过调节不同参数，可以分析螺栓在实际工况中的预紧力衰减情况。

Description

一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法
技术领域
本发明属于仿真技术领域，尤其是涉及一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法。
背景技术
螺纹连接广泛存在于各类机械结构中,是最常用的紧固手段之一。静载环境工作下的螺纹连接结构会出现预紧力的持续下降,即螺栓松动,成为重大安全隐患,大量的理论研究和工程实践表明，预紧力是保障螺纹连接接触刚度和可靠性的关键，在静载条件下产生螺栓预紧力松弛的原因为内外螺纹没有产生相对转动，即内外螺纹没有发生相对转动，但螺纹连接因为塑性变形、表面嵌入、蠕变、应力释放等因素导致预紧力下降。尤其是由于蠕变产生的预紧力下降是导致螺纹连接结构松动最主要的原因之一。因此研究螺纹连接结构在蠕变情况下的松脱规律,对于工程实际具有重要意义。
螺纹连接预紧力的松弛可以看作是螺纹连接的松动，螺纹连接松动问题最早的研究是通过轴向振动开始的。德国学者Junker于1969年最早提出了该试验方法，因此该方法又被称为Junker测试方法。Junker通过该试验方法发现横向振动载荷容易导致螺纹连接松动，横向振动载荷被广泛认为是导致实际工况下螺纹连接松动的主要载荷。至今对于螺栓松动的有限元仿真大多是在动载的条件下，针对静载条件下由于蠕变产生的连接系统松动有限元方法相对空白，求解接触分析的非线性有限元方法对预紧力下螺栓进行研究以及调整系统参数对系统的非线性动力学特性进行模拟，改变不同材料与型号的螺栓进行仿真研究，找出螺栓预紧力衰减特征及其影响因素。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法，以至少解决背景技术中的至少一个问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法，包括：
利用建模软件建立螺栓、螺母以及夹件的模型，构建虚拟螺纹的仿真模型；
设置仿真模型中的材料属性以及材料的蠕变参数；
设置仿真模型的约束以及螺栓轴向预紧力；
设置模型每个零件间的接触设置以及摩擦设置；
设置加载分析步以及每个分析步的时间；
设置牙形角以及螺距的数值；
进行计算以及静力学分析。
进一步的，利用建模软件建立螺栓、螺母以及夹件的模型，将所述模型导入有限元分析软件，利用有限元分析软件建立虚拟螺纹模型。
进一步的，所述设置虚拟螺纹模型的材料属性以及蠕变参数，具体包括：
其中：
T为单元温度，单位为开尔文；
CT为蠕变温度相关性的材料常量；
C0为在材料对话框的属性选项卡中输入的蠕变常量；
C1和C2分别为材料属性对话框中的蠕变常量。
进一步的，在所述设置模型个零件间的接触设置以及摩擦设置中，设置模型中各零件间的接触关系：
螺栓节点中将螺栓端头下表面与被连接件上表面接触的结合面设定为绑定接触；
螺纹副结合面设定为摩擦接触，摩擦系数为0.15；
将螺母上表面与被连接件下表面接触设定为无摩擦接触。
进一步的，在所述设置加载分析步以及每个分析步的时间中，设置加载四个分析步,并分别设置分析时间，以便于更好看出预紧力的变化，包括：
Step-1为施加螺栓预紧力，从而完成预紧力的初始加载；
Step-2为对螺栓施加lock指令，使螺栓节点定位移保载；
Step-3为撤销约束后螺栓自松弛分析步；
Step-4为对螺栓继续松弛，观察被连接件的残余预紧力。
进一步的，本方案公开了一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，所述处理器用于执行一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法。
进一步的，本方案公开了一种服务器，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述至少一个处理器执行一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法。
进一步的，本方案公开了一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法。
相对于现有技术，本发明所述的一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法具有以下有益效果：
(1)本发明所述的一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法，建立了蠕变螺栓预紧力衰减有限元模型，可以通过调节不同参数，可以分析螺栓在实际工况中的预紧力衰减情况；
(2)本发明所述的一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法，建立虚拟螺纹模型，通过预紧力单元施加预紧力，简化了一部分计算过程，节约时间成本。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的方案流程图示意图；
图2为虚拟螺纹实施例所述的杆模型示意图；
图3为与细节建模螺纹对比示意图；
图4为虚拟螺纹实施例杆应力分布示意图；
图5为本发明实施例所述的螺栓连接结构简化模型示意图；
图6为本发明实施例所述的虚拟螺纹模型工艺参数调节示意图；
图7为本发明实施例所述的网格模型示意图；
图8为本发明实施例所述的模型接触设置示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
螺纹连接预紧力的松弛可以看作是螺纹连接的松动，螺纹连接松动问题最早的研究是通过轴向振动开始的。德国学者Junker于1969年最早提出了该试验方法，因此该方法又被称为Junker测试方法。Junker通过该试验方法发现横向振动载荷容易导致螺纹连接松动，横向振动载荷被广泛认为是导致实际工况下螺纹连接松动的主要载荷。至今对于螺栓松动的有限元仿真大多是在动载的条件下，针对静载条件下由于蠕变产生的连接系统松动有限元方法相对空白，求解接触分析的非线性有限元方法对预紧力下螺栓进行研究以及调整系统参数对系统的非线性动力学特性进行模拟，改变不同材料与型号的螺栓进行仿真研究，找出螺栓预紧力衰减特征及其影响因素。
本专利旨在发明一种在静载条件下基于蠕变模型的螺栓预紧力衰减原因分析方法，能够改变初始预紧力、摩擦系数、螺距、螺纹角、螺纹类型等参数的数值，经过有限元分析得出在不同条件下螺栓预紧力的衰减情况，并分析出影响权重最大的参数模型。
有限元仿真方法：
步骤1：利用建模软件建立螺栓、螺母以及夹件模型，构建螺栓模型；
步骤2：将所述模型导入Ansys Workbench；
步骤3：设置螺栓模型中各零件的材料属性(Section),赋予所述模型的材料特征，以及材料的蠕变参数；
步骤4：在螺栓端头上表面设定Fixed Support约束，于无螺纹螺杆中点处施加螺栓轴向预紧力；
步骤5：在Interaction模块中设置所述模型中各零件间的接触关系:设置虚拟螺纹，设置牙形角以及螺距的数值，螺栓节点中将螺栓端头下表面与被连接件上表面接触的结合面设定为绑定接触。螺纹副结合面设定为摩擦接触，摩擦系数为0.15。将螺母上表面与被连接件下表面接触设定为无摩擦接触；
步骤6：设置加载四个分析步,并分别设置分析时间，以便于更好看出预紧力的变化；其中,Step-1施加螺栓预紧力，从而完成预紧力的初始加载，Step-2为对螺栓施加lock指令使螺栓节点定位移保载，Step-3为撤销约束后螺栓自松弛分析步，Step-4对螺栓继续松弛，观察被连接件的残余预紧力；
步骤8：计算并进行静力学分析。
本专利方案的优点和有益效果：
大多数对于螺栓松弛的研究主要针对在动载的条件下，本发明以蠕变模型为基础，能够分析出蠕变对于螺栓预紧力衰减影响并确定影响最大的因素。并选择Norton模型,此模型可以较好的拟合第一阶段和第二阶段的蠕变曲线适用范围更广，因此本研究采用Norton模型进行研究。Norton模型，又称为Norton-Bailey模型或Norton-Bailey PowerLaw，是描述蠕变行为的一种简单经验模型。这个模型基于应力与蠕变速率之间的幂律关系，可用于预测恒定载荷下材料的蠕变行为。它主要用于恒定温度和恒定应力条件下的蠕变分析。Norton模型是一种适用于第一阶段和第二阶段的蠕变模型，常用的蠕变本构模型：
2)结构连接中采用螺纹连接应用非常广泛，通常我们在进行有限元分析时，会将螺栓简化成光杆或者甚至是一根梁。但是对于一些关键的螺纹连接，当我们需要考虑螺纹处的应力分布时，往往需要将螺纹细节特征建立好，然后进行仿真。由于螺纹本身细节特征较多，为保证求解精度，网格会非常多，这将大大降低求解效率。ANSYS15.0之后的版本中，增加了虚拟螺纹功能。在进行螺纹模拟时，不用建立精细化的螺纹模型就可以得到螺纹处精确的应力分布，非常便捷。在某个例子中以某拉杆为例，介绍虚拟螺纹具体设置方法。
以某拉杆为例，介绍虚拟螺纹具体设置方法：
(1)拉杆结构如图2所示，与外部螺母采用螺纹连接，建模时忽略螺纹特征，将螺纹处建成光面；
(2)选择拉杆外表面为接触面，螺孔内表面为目标面，接触类型为不分离；
(3)在接触属性中，设置螺纹具体参数:如中径、螺距、牙型角等；
(4)对模型进行网格划分，需要注意的是，螺纹处网格需要细化，一般网格尺寸不超过1/4螺距；
(5)对模型进行加载并求解，可以查看到螺纹处的应力分布，如图3所示；
(6)建立详细的螺纹模型，进行求解。计算结果如图4所示，可以看到虚拟螺纹模型与详细螺纹模型计算的结果基本保持一致；
虚拟螺纹在ANSYS中通过参数化的几何形状、有限元分析、材料特性和摩擦力计算等方法来模拟螺纹连接的行为。它能够提供有关连接的力学特性和性能的重要信息，帮助工程师设计和评估螺纹连接的可靠性。图5为课题建立简化模型：为了简化计算过程，对该模型进行了适当的简化，由于预紧力可以通过预紧力单元进行施加，螺栓螺母去掉了螺纹部分，采用了虚拟螺纹的方式。在ANSYS中，虚拟螺纹是一种用于模拟螺纹连接的工具。可以在仿真中模拟螺纹的行为和性能，而无需完整地建模整个螺纹几何形状。以实验结构为原形建立虚拟螺纹螺栓节点有限元模型。模型包括被连接件、紧固件(即螺栓螺母)两部分。将被连接件简化为一个圆柱体试件，预紧力可以通过预紧力单元进行施加去掉了螺纹部分，简便了一部分计算过程，可以通过改变螺纹角、俯仰距离(即螺距)、螺纹类型等工艺参数数值达到基本相同的仿真效果，具体如图6所示。
下面将结合附图，提出一种实施例：
步骤1：在NX中建立螺栓、螺母、被夹紧件的三维模型，并导入到Ansys Workbench中进行网格划分，网格模型示意图如图7所示；
步骤2：设置材料蠕变参数
当前常用的蠕变模型有L-M模型、θ-函数模型、C-摄影法、Norton模型等，其中Norton模型可以较好的拟合第一阶段和第二阶段的蠕变曲线适用范围更广，因此本研究采用Norton模型进行研究。Norton模型是一种适用于第一阶段和第二阶段的常用的蠕变本构模型。
其中:
T＝单元温度(开尔文)；
CT＝定义蠕变温度相关性的材料常量；
C0是在材料对话框的属性选项卡中输入的蠕变常量；
C1和C2分别是材料属性对话框中的蠕变常量。
步骤3：设定模型约束以及接触
设定约束方面，在螺栓端头上表面设定Fixed Support约束，于无螺纹螺杆中点处施加螺栓轴向预紧力。在没模型接触设置方面，螺栓节点中将螺栓端头下表面与被连接件上表面接触的结合面设定为绑定接触。螺纹副结合面设定为摩擦接触，摩擦系数为0.15。将螺母上表面与被连接件下表面接触设定为无摩擦接触，如图8所示；
步骤4：设置加载步观察螺栓节点的初始预紧力松弛
为保证较好的收敛性，共设置四个加载步来观察螺栓节点的初始预紧力松弛,分析螺栓节点中的初始预紧力松弛。:第一步为0s--1s，该步内施加螺栓预紧力，从而完成预紧力的初始加载，第二步为1s-36000s，该步内对螺栓节点施加Lock指令，使螺栓节点定位移保载。该阶段刚刚完成加载，被连接件的塑性变形及螺栓节点的初始预紧力松弛发生的均较为剧烈，因此调低最大步长保证有限元模型收敛性。第三步为36000—3.6e+005s，为撤销约束后螺栓自松弛分析步。第四步为3.6e+005-7.2e+006s，该步内对螺栓继续松弛，观察被连接件的残余预紧力。
步骤5：改变不同参数数值进行静力学分析
表1仿真参数表格
改变不同的参数进行一系列仿真，对施加载荷位置的所有节点的位移进行了提取，然后作为变形的大小。得到螺栓预紧力、等效应力、等效蠕变应变、总变形等结果。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，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。上述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发明实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法，其特征在于，包括：
利用建模软件建立螺栓、螺母以及夹件的模型，构建螺栓模型；
设置螺栓模型中的材料属性以及材料的蠕变参数；
设置虚拟螺纹模型的模型约束以及螺栓轴向预紧力；
设置模型每个零件间的接触关系设置虚拟螺纹；
设置牙形角以及螺距的数值；
设置加载分析步以及每个分析步的时间；
进行计算以及静力学分析。
2.根据权利要求1所述的一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法，其特征在于：利用建模软件建立螺栓、螺母以及夹件的模型，将所述模型导入有限元分析软件，利用有限元分析软件建立虚拟螺纹模型。
3.根据权利要求1所述的一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法，其特征在于，所述设置虚拟螺纹模型的材料属性以及蠕变参数，具体包括：
其中：
T为单元温度，单位为开尔文；
CT为蠕变温度相关性的材料常量；
C0为在材料对话框的属性选项卡中输入的蠕变常量；
C1和C2分别为材料属性对话框中的蠕变常量。
4.根据权利要求1所述的一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法，其特征在于：在所述设置模型每个零件间的接触设置以及摩擦设置中，设置模型中各零件间的接触关系：
螺栓节点中将螺栓端头下表面与被连接件上表面接触的结合面设定为绑定接触；
螺纹副结合面设定为摩擦接触，摩擦系数为0.15；
将螺母上表面与被连接件下表面接触设定为无摩擦接触。
5.根据权利要求1所述的一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法，其特征在于：在所述设置加载分析步以及每个分析步的时间中，设置加载四个分析步,并分别设置分析时间，以便于更好看出预紧力的变化，包括：
Step-1为施加螺栓预紧力，从而完成预紧力的初始加载；
Step-2为对螺栓施加lock指令，使螺栓节点定位移保载；
Step-3为撤销约束后螺栓自松弛分析步；
Step-4为对螺栓继续松弛，观察被连接件的残余预紧力。
6.一种电子设备，包括处理器以及与处理器通信连接，且用于存储所述处理器可执行指令的存储器，其特征在于：所述处理器用于执行上述权利要求1-5任一所述的一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法。
7.一种服务器，其特征在于：包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如权利要求1-5任一所述的一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法。
8.一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-5任一项所述的一种考虑螺纹蠕变的连接系统松动有限元仿真方法。
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CN117610384B (zh) * 2024-01-23 2024-05-14 航天精工股份有限公司 一种基于工程实际分布的紧固连接系统仿真分析方法

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