CN117494353A - 基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法，包括：根据紧固件和连接结构的物理结构与材质信息，创建相应的三维仿真模型；通过计算得到满足紧固件与连接结构之间的受载形式和连接要求的初始连接设计方案；使用三维仿真模型对多个初始连接设计方案进行仿真分析，并对初始连接设计方案进行循环仿真判定，筛选出满足可靠性要求的连接设计方案；使用根据紧固件安全需要构建的安全校验条件，校验在不同连接形式下，满足可靠性要求的连接设计方案的安全性。本发明有益效果：相较于现有技术具有更高的效率、精确性和可靠性，能够提高紧固件连接设计的质量和效率，同时减少实验和后续纠错成本，具有较大的应用价值和推广前景。
Description
技术领域
本发明属于紧固件连接设计领域，尤其是涉及基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法。
背景技术
紧固件连接系统的设计和分析是一项复杂的工程任务，它需要考虑多种因素，如紧固件的规格、材料、安装空间、预紧载荷、工作载荷与应力、温度变化等。连接系统的设计和分析如果不准确或不合理，可能会导致连接结构断裂、松动、滑移等故障，甚至会引发严重的安全事故和经济损失。目前螺纹紧固件优化设计缺乏正向设计的技术路径和计算方法，主要短板在于：
1）主要依据以往型号的研制经验，根据紧固件的工作条件（被连接件，工作温度，载荷，装配环境等），查阅相关的紧固件手册，初选螺纹紧固件，再根据经典公式对螺纹紧固件仅手工进行螺纹牙静强度校核，对紧固件结构参数，紧固件数量以及材料性能等缺少详尽的分析。
2）而部件/系统在强度校核时，对螺纹紧固件进行简化，关注点又集中在安装边强度校核计算方面，虽在一定程度上保证了连接结构的强度和稳定性，但往往很难保证结构的最优化。而且，螺纹紧固件连接结构由于受到空间，安装工具及方法等各种因数的影响，在研制过程后期很难进行优化改造。
3）未从正向设计思路出发，在设计时对螺纹紧固件连接进行详尽分析造成故障时有发生。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法，从紧固件的角度构建了系统的设计、仿真和评价方法，开展基于设计、仿真和校核系统流程的螺栓连接正向设计方法研究，实现对螺纹紧固件的高效快速设计及计算分析。该方法主要用于结构系统中连接紧固件正向设计，确保连接方案设计的准确性和安全性；用于不同紧固件连接设计方案评估和优化，提高多方案评估效率；用于紧固件连接计算校核，提高计算分析效率，减少实验及后续纠错成本，提升紧固连接系统的可靠性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明第一方面提供了基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法，包括：
根据紧固件和连接结构的物理结构与材质信息，创建相应的三维仿真模型；
通过计算得到满足紧固件与连接结构之间的受载形式和连接要求的初始连接设计方案；
使用三维仿真模型对多个初始连接设计方案进行仿真分析，并对初始连接设计方案进行循环仿真判定，筛选出满足可靠性要求的连接设计方案；
使用根据紧固件安全需要构建的安全校验条件，校验在不同连接形式下，满足可靠性要求的连接设计方案的安全性。
进一步的，通过计算得到满足紧固件与连接结构之间的受载形式和连接要求的初始连接设计方案的过程包括：
根据紧固件与连接结构之间的受载形式和连接要求，构建连接设计要求；
根据强度实验平均值、强度利用率、尺寸关系、紧固件长度，构建紧固件评价标准；
将紧固件公称直径的集合与连接结构允许摆放紧固件数量的集合进行排列组合；
遍历组合中的每一项计算其中紧固件的理论应力，筛选出理论应力小于屈服应力的组合，并结合连接设计要求以及紧固件评价标准，得到初始连接设计方案。
进一步的，进行循环仿真判定，筛选出满足可靠性要求的连接设计方案的过程包括：
进行仿真模拟并提取模拟过程中紧固件承受的最大应力，将最大应力与紧固件的理论应力比较，筛选出满足要求的连接设计方案，并利用应力强度干涉模型计算连接设计方案的可靠度。
进一步的，根据紧固件与连接结构之间的受载形式和连接要求，构建连接设计要求，具体为：
；
；
其中，F轴为单紧固件的轴向载荷，n为紧固件的数量，R为紧固件所在分度圆的半径，M为单紧固件所受的转矩，FQ为单紧固件所受的横向剪切载荷，K为放大系数，F预为紧固件的安装预紧力，F标为紧固件的标准抗拉载荷，u为分界面的摩擦系数，m为传递摩擦的界面数量。
进一步的，紧固件的评价标准包括：
紧固件的强度实验平均值≥紧固件的理论计算应力；
紧固件的理论计算应力/紧固件的强度实验平均值≥用户设定的强度利用率；
紧固件的直径与连接结构的安装面宽度的尺寸关系满足具体构型设定；
紧固件的长度满足连接结构厚度要求。
进一步的，遍历组合中的每一项计算其中紧固件的理论应力，筛选出理论应力小于屈服应力的组合，具体为：
；
其中，σred,B为螺栓的工作应力，σZ为正应力，τS为扭转应力，RP0.2min为螺栓的屈服应力。
进一步的，使用根据紧固件安全需要构建的安全校验条件的过程包括：
计算连接结构的材料抗压性能、紧固件承受的横向载荷、紧固件与连接结构的啮合长度，根据计算得到的结果校验紧固件的安全性。
本发明第二方面提出了应用第一方面任一所述的基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法的系统，包括：
连接方案设计模块，执行计算初始连接设计方案，并筛选出满足可靠性要求的连接设计方案的操作；
连接方案校核模块，执行根据安全校验条件，校验在不同连接形式下，满足可靠性要求的连接设计方案的安全性的操作；
紧固件数据库，存储有紧固件的相关数据。
相对于现有技术，本发明所述的基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法具有以下有益效果：
1）综合设计、仿真和校核一体化：本发明提出了基于设计、仿真和校核一体化的紧固连接正向设计方法，将设计、仿真和校核三个环节有机结合，形成一个闭环循环过程。相比于传统的分散处理方式，该一体化方法能够更加高效地进行设计和分析，大大提高了设计的准确性和安全性。
2）精确设计和计算分析：本发明通过对螺纹紧固件的精确设计和计算分析，能够更加准确地评估紧固件连接方案的性能。相比于传统的经验设计方法，该方法能够更加精确地预测连接的可靠性和稳定性，从而避免了设计上的盲目和试错。
3）多方案评估和优化：本发明的一体化设计方法可以用于不同紧固件连接设计方案的评估和优化。通过在设计环节中引入仿真和校核，可以快速评估和比较不同方案的性能，提高了多方案评估的效率。同时，该方法还可以通过优化设计参数，提高连接方案的可靠性和效率。
4）减少实验和纠错成本：通过在设计环节中引入仿真和校核，本发明能够提前发现和解决设计中的问题，减少后续实验和纠错的成本。相比于传统的实验方法，该方法能够更加快速地评估设计的可行性和安全性，为工程师提供更多的设计参考和决策支持。
5）本发明提出的方法计算简便，容易实现，且更加符合工程实际，方便工程技术人员掌握使用，方法科学，便于应用推广。
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基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例所述的承力筒的对接结构模型示意图。
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。
实施例一：
如图1所示：基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法，包括：
S1、根据紧固件和连接结构的物理结构与材质信息，创建相应的三维仿真模型；
S2、通过计算得到满足紧固件与连接结构之间的受载形式和连接要求的初始连接设计方案；
S3、使用三维仿真模型对多个初始连接设计方案进行仿真分析，并对初始连接设计方案进行循环仿真判定，筛选出满足可靠性要求的连接设计方案；
S4、使用根据紧固件安全需要构建的安全校验条件，校验在不同连接形式下，满足可靠性要求的连接设计方案的安全性。
步骤S2通过计算得到满足紧固件与连接结构之间的受载形式和连接要求的初始连接设计方案的过程包括：
根据紧固件与连接结构之间的受载形式和连接要求，构建连接设计要求，具体为：
；
；
其中，F轴为单紧固件的轴向载荷，n为紧固件的数量，R为紧固件所在分度圆的半径，M为单紧固件所受的转矩，FQ为单紧固件所受的横向剪切载荷，K为放大系数，F预为紧固件的安装预紧力，F标为紧固件的标准抗拉载荷，u为分界面的摩擦系数，m为传递摩擦的界面数量。
根据强度实验平均值、强度利用率、尺寸关系、紧固件长度，构建紧固件评价标准，具体包括：
根据紧固件公称直径，在产品数据库中提取对应紧固件的实验强度数据平均值，以此强度实验平均值与紧固件的理论应力进行比较，评估当前方案是否可以接受；
评价的标准为：
a）紧固件的强度实验平均值≥紧固件的理论计算应力；
b）紧固件的理论计算应力/紧固件的强度实验平均值≥用户设定的强度利用率；
c）紧固件的直径与连接结构的安装面宽度的尺寸关系满足具体构型设定；
d）紧固件的长度满足连接结构厚度要求。
将紧固件公称直径的集合与连接结构允许摆放紧固件数量的集合进行排列组合；
遍历组合中的每一项计算其中紧固件的理论应力，筛选出理论应力小于屈服应力的组合，具体为：
；
其中，σred,B为螺栓的工作应力，σZ为正应力，τS为扭转应力，RP0.2min为螺栓的屈服应力。
结合连接设计要求以及紧固件评价标准，得到初始连接设计方案的过程包括：
将筛选出的理论应力小于屈服应力的组合中的紧固件的参数代入连接设计要求中的公式，得到满足两者的设计方案，使用紧固件评价标准对设计方案进行评价，对评价的结果做布尔“与”运算，得到满足三者条件的初始连接设计方案。
步骤S3进行循环仿真判定，筛选出满足可靠性要求的连接设计方案的过程包括：
进行仿真模拟并提取模拟过程中紧固件承受的最大应力，将最大应力与紧固件的理论应力比较；
若仿真应力小于理论应力（说明当前方案可以满足强度要求），则接受此连接设计方案；
若仿真应力大于理论应力，则继续以仿真应力和螺栓强度比较，若不超过螺栓强度（说明当前方案可以满足强度要求）则接受此连接设计方案；
若超过螺栓强度（说明当前方案不满足强度要求）则抛弃此连接设计方案；
经过上述比较过程，得到相应的连接设计方案的组合列表。
对连接设计方案的组合列表以刚度要求进行筛选，对满足刚度的连接设计方案，调用应力强度干涉模型计算其可靠度，选出满足可靠性要求的连接设计方案。
使用根据紧固件安全需要构建的安全校验条件的过程包括：
计算连接结构的材料抗压性能、紧固件承受的横向载荷、紧固件与连接结构的啮合长度，根据计算得到的结果校验紧固件的安全性，具体为：
对于连接组件材料的抗压性能，连接结构的支撑面表面应力不高于许用上限，；
其中，F为普通装配状态为预紧力F=FMzul，对于屈服装配，考虑最大屈服点和最小屈服点比值1.2，硬化效应1.05，F=FMzul×1.2×1.05，工作状态为螺栓所受拉力；Apmin为支撑面面积；
对于紧固件在承剪或者被夹紧时承受的横向载荷情况，需校核是否满足Fqmax/FqzulS≤1，许可剪力FqzulS=Aτ×τB/SA；
其中Aτ为杆截面积，τB为抗剪强度，SA为安全余量。
紧固件与连接结构的啮合长度：
；
其中，d为外螺纹直径，meff为旋合长度，P为螺距，D2为内螺纹中径，补充旋合长度mZu，τBM为螺纹的剪切强度，C1和C3为经验系数。
实施例二：
应用实施例一任一所述的基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法的系统，包括：
连接方案设计模块，执行计算初始连接设计方案，并筛选出满足可靠性要求的连接设计方案的操作；
连接方案校核模块，执行根据安全校验条件，校验在不同连接形式下，满足可靠性要求的连接设计方案的安全性的操作；
紧固件数据库，存储有紧固件的相关数据。
实施例三：
下面以某型装备的对接结构为例，对上述方法的具体工作做出进一步的说明，其具体工作过程如下：
如图2所示：承力筒的对接结构模型由中间试验段、两端过渡接口段三部分组成；中间试验段采用薄壁金属壳体复合高加强筋结构，两端过渡接口段为2A14铝合金壳体，与试验段螺接，端部带金属翻边，并有72个Φ8.5mm连接孔，用于与加载工装连接。
承力筒的对接结构模型的具体载荷信息如下表所示：
步骤一：构建紧固连接结构模型，根据对接结构的几何尺寸构建三维模型，具体尺寸和材料信息见下表；
几何尺寸：
材料信息：
步骤二：紧固件连接方案设计优化，建立基于应力断裂和连接松脱两种失效模式下的盘轴螺纹连接件可靠性模型；
1）确定螺栓头型、螺纹类型和螺栓规格范围，结合尺寸边界和设计要求，确定螺栓头型、螺纹类型和螺栓规格范围，初定螺栓选型如下：
螺栓头型：六角头；
螺栓排布间距:最小间距3d~最大间距14d；
螺纹类型：MJ；
螺栓规格：MJ6、MJ8、MJ10；
螺栓材料：钛合金:TB3，TB8，TC4，Ti-6Al-4V，TC6，TC16；
螺栓性能等级：900MPa，1000MPa，1100MPa，1275Mpa；
2）紧固件连接方案设计优化，根据强度要求和排布设计规范，推选出合适的螺栓规格和数量组合，针对连接系统的受载形式和连接要求，连接系统应满足：
；
；
则满足条件的连接方案包括：以56颗MJ8的螺栓连接方案的为例，通过仿真计算和强度系数对比，结果表明56颗MJ8的螺栓连接方案满足设计指标；
其中连接方案如下表所示：
连接方案的仿真计算结果如下表所示：
最终设计方案为56颗MJ8×1.25的螺栓连接方案。
步骤三：开展紧固件连接方案的计算校核，结合设计推选的56颗MJ8的螺栓连接方案，根据其中受力最严苛的螺栓边界条件和应力状况，进行螺栓装配和服役过程的装配预紧力区间、螺纹工作应力、疲劳应力等关键性能参数的校核评估，最终结果如下表所示：
步骤四：建设螺纹紧固件优化设计软件，进行连接系统正向设计，通过开发集成的螺纹紧固件优化设计软件，结合上述案例开展螺纹紧固件设计优化，最终推选出56颗MJ8的螺栓连接方案和紧固件产品，安全余量、强度和可靠度满足要求，与此前的连接设计方案一致。
由上述实施例表明，本发明提供了一种基于设计、仿真和校核一体化的紧固连接正向设计方法在螺纹紧固件的应用案例。采用CAD软件进行紧固件的设计，包括螺纹尺寸、材料等参数的确定，并考虑结构系统中连接的需求，确保连接方案设计的准确性和安全性。利用有限元分析软件进行紧固连接的力学性能仿真，包括应力分布、变形情况等的分析，以评估连接设计方案的可行性和优化空间。根据相关标准和计算方法，对紧固件连接进行计算校核，包括承载能力、紧固力矩等参数的计算和评估，以保证连接的安全性和可靠性。
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.基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法，其特征在于，包括：
根据紧固件和连接结构的物理结构与材质信息，创建相应的三维仿真模型；
通过计算得到满足紧固件与连接结构之间的受载形式和连接要求的初始连接设计方案；
使用三维仿真模型对多个初始连接设计方案进行仿真分析，并对初始连接设计方案进行循环仿真判定，筛选出满足可靠性要求的连接设计方案；
使用根据紧固件安全需要构建的安全校验条件，校验在不同连接形式下，满足可靠性要求的连接设计方案的安全性。
2.根据权利要求1所述的基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法，其特征在于：通过计算得到满足紧固件与连接结构之间的受载形式和连接要求的初始连接设计方案的过程包括：
根据紧固件与连接结构之间的受载形式和连接要求，构建连接设计要求；
根据强度实验平均值、强度利用率、尺寸关系、紧固件长度，构建紧固件评价标准；
将紧固件公称直径的集合与连接结构允许摆放紧固件数量的集合进行排列组合；
遍历组合中的每一项计算其中紧固件的理论应力，筛选出理论应力小于屈服应力的组合，并结合连接设计要求以及紧固件评价标准，得到初始连接设计方案。
3.根据权利要求1所述的基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法，其特征在于：进行循环仿真判定，筛选出满足可靠性要求的连接设计方案的过程包括：
进行仿真模拟并提取模拟过程中紧固件承受的最大应力，将最大应力与紧固件的理论应力比较，筛选出满足要求的连接设计方案，并利用应力强度干涉模型计算连接设计方案的可靠度。
4.根据权利要求2所述的基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法，其特征在于：根据紧固件与连接结构之间的受载形式和连接要求，构建连接设计要求，具体为：
；
；
其中，F轴为单紧固件的轴向载荷，n为紧固件的数量，R为紧固件所在分度圆的半径，M为单紧固件所受的转矩，FQ为单紧固件所受的横向剪切载荷，K为放大系数，F预为紧固件的安装预紧力，F标为紧固件的标准抗拉载荷，u为分界面的摩擦系数，m为传递摩擦的界面数量。
5.根据权利要求2所述的基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法，其特征在于：紧固件的评价标准包括：
紧固件的强度实验平均值≥紧固件的理论计算应力；
紧固件的理论计算应力/紧固件的强度实验平均值≥用户设定的强度利用率；
紧固件的直径与连接结构的安装面宽度的尺寸关系满足具体构型设定；
紧固件的长度满足连接结构厚度要求。
6.根据权利要求2所述的基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法，其特征在于：遍历组合中的每一项计算其中紧固件的理论应力，筛选出理论应力小于屈服应力的组合，具体为：
；
其中，σred,B为螺栓的工作应力，σZ为正应力，τS为扭转应力，RP0.2min为螺栓的屈服应力。
7.根据权利要求1所述的基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法，其特征在于：使用根据紧固件安全需要构建的安全校验条件的过程包括：
计算连接结构的材料抗压性能、紧固件承受的横向载荷、紧固件与连接结构的啮合长度，根据计算得到的结果校验紧固件的安全性。
8.应用权利要求1-7任一所述的基于设计校核一体化的紧固连接正向设计方法的系统，其特征在于，包括：
连接方案设计模块，执行计算初始连接设计方案，并筛选出满足可靠性要求的连接设计方案的操作；
连接方案校核模块，执行根据安全校验条件，校验在不同连接形式下，满足可靠性要求的连接设计方案的安全性的操作；
紧固件数据库，存储有紧固件的相关数据。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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