CN117610384B - 一种基于工程实际分布的紧固连接系统仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于工程实际分布的紧固连接系统仿真分析方法，包括：抽取同批次的紧固件中的一部分进行装配，获取相应紧固件的预紧力数据并进行分析，得到当前装配条件下的预紧力分布模型；使用预紧力分布模型，批量生成随机预紧力数据，将生成的数据输入到有限元仿真模型中；进行有限元仿真分析，获取仿真分析结果并根据仿真结果以及产品经济限制，执行提高结构可靠性的操作，并重新进行有限元仿真分析，得到螺栓连接系统装配方案。本发明有益效果：提出数据分散性控制范围与更加合理的预紧力基准值，协助工程机械在保证结构的可靠性、装配方法的高效性前提下，最小程度牺牲产品的经济性。

Description

一种基于工程实际分布的紧固连接系统仿真分析方法

技术领域

本发明属于紧固件测试领域，尤其是涉及一种基于工程实际分布的紧固连接系统仿真分析方法。

背景技术

现有的螺栓连接系统仿真分析研究中，螺栓组的预紧力通常设置为理论值进行仿真分析与强度校核。

这种方法是目前科学研究与工程应用研究中默认的，但实际装配过程中由于影响因素过多，导致螺栓组中各个螺栓的预紧力不一致，而且可能存在较大的分散性。

并且，现有螺栓组仿真分析方法无法对数据分散性的限度进行评价考量，这会导致仿真分析结论脱离现实，无法对实际服役结构形成有效的参考。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于工程实际分布的紧固连接系统仿真分析方法，以期解决上述部分技术问题中的至少之一。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于工程实际分布的紧固连接系统仿真分析方法，包括：

抽取同批次的紧固件中的一部分进行装配，获取相应紧固件的预紧力数据并进行分析，得到当前装配条件下的预紧力分布模型；

使用预紧力分布模型，批量生成随机预紧力数据，将生成的数据输入到有限元仿真模型中；

进行有限元仿真分析，获取仿真分析结果并根据仿真结果以及产品经济限制，执行提高结构可靠性的操作，并重新进行有限元仿真分析，得到螺栓连接系统装配方案。

进一步的，根据产品经济限制执行提高结构可靠性的操作的过程包括：

如果经济性限制小，则降低产品参数的分散性，重新计算预紧力分布模型并进行有限元仿真分析，获取降低数据分散性后的结构可靠性数据；

如果经济性限制大但强度利用率有提升空间，则提高预紧力基准值，重新计算预紧力分布模型并进行有限元仿真分析，获取提高预紧力基准值后的结构可靠性数据。

进一步的，抽取同批次的紧固件中的一部分进行装配的过程中，所用紧固件与实际工程中所用紧固件的批次与参数相同；

紧固件的被连接件的材质、制造工艺相同，紧固件的装配参数相同。

进一步的，装配的方案有多种，对于每一种装配方案均获取当前装配工具、装配方案、安装扭矩下的预紧力分布模型。

进一步的，将随机预紧力数据输入到有限元仿真模型中，进行多次有限元仿真，获取仿真分析结果的应力分布状态、最大应力值与应力集中系数作为结构可靠性的代表数据；

得到数据分散度与结构可靠性之间的关系，实用完整结构的应力集中系数局部极值的平均值与标准差来评估结构可靠性；

平均值与标准差越小，结构可靠性越高，同时整个结构的应力水平需要全部低于对应材料的屈服极限。

进一步的，如果经济性限制小，则限制每个螺栓的摩擦系数、表面粗糙度、结构尺寸公差来降低影响因素对预紧力转化率的影响；

每个紧固件的各项数据越接近，则产品参数的分散性越低。

进一步的，如果经济性限制大，但紧固件的材料强度高，在当前的扭矩和预紧力范围内，紧固件当前承受的应力比材料的屈服强度低，扭矩存在的提升空间；

则提升扭矩至预紧力数据在当前的分散性下结构可靠性达标。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于工程实际分布的紧固连接系统仿真分析方法具有以下有益效果：

将符合工程实际分布的预紧力数据加入到螺栓连接系统仿真分析模型中，大批量进行仿真计算，并得到当前批次产品与装配方法下的数据分散性与结构可靠性关系，提出数据分散性控制范围与更加合理的预紧力基准值，协助工程机械在保证结构的可靠性、装配方法的高效性前提下，最小程度牺牲产品的经济性。

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一种基于工程实际分布的紧固连接系统仿真分析方法的流程示意图。

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。

如图1所示：一种基于工程实际分布的紧固连接系统仿真分析方法，包括：

S1、抽取同批次的紧固件中的一部分进行装配，获取相应紧固件的预紧力数据并进行分析，得到当前装配条件下的预紧力分布模型；

S2、使用预紧力分布模型，批量生成随机预紧力数据，将生成的数据输入到有限元仿真模型中；

S3、进行有限元仿真分析，获取仿真分析结果并根据仿真结果以及产品经济限制，执行提高结构可靠性的操作，并重新进行有限元仿真分析，得到螺栓连接系统装配方案。

根据产品经济限制执行提高结构可靠性的操作的过程包括：

S31、如果经济性限制小，则降低产品参数的分散性，重新计算预紧力分布模型并进行有限元仿真分析，获取降低数据分散性后的结构可靠性数据；

S32、如果经济性限制大但强度利用率有提升空间，则提高预紧力基准值，重新计算预紧力分布模型并进行有限元仿真分析，获取提高预紧力基准值后的结构可靠性数据。

抽取同批次的紧固件中的一部分进行装配的过程中，所用紧固件与实际工程中所用紧固件的批次与参数相同；紧固件的被连接件的材质、制造工艺相同，紧固件的装配参数相同。

获取相应紧固件的预紧力数据的过程中，将部分普通螺栓制作成超声波螺栓，需要保证螺栓属于同一批次，制备方法可以选择直接在头部原位生成超声波传感器，或采用超声波贴片式传感器。

装配的方案有多种，对于每一种装配方案均获取当前装配工具、装配方案、安装扭矩下的预紧力分布模型。

将随机预紧力数据输入到有限元仿真模型中，进行多次有限元仿真，获取仿真分析结果的应力分布状态、最大应力值与应力集中系数作为结构可靠性的代表数据；

得到数据分散度与结构可靠性之间的关系，实用完整结构的应力集中系数局部极值的平均值与标准差来评估结构可靠性；

平均值与标准差越小，结构可靠性越高，同时整个结构的应力水平需要全部低于对应材料的屈服极限。

如果经济性限制小，则限制每个螺栓的摩擦系数、表面粗糙度、结构尺寸公差来降低影响因素对预紧力转化率的影响；

每个紧固件的各项数据越接近，则产品参数的分散性越低。

如果经济性限制大，但紧固件的材料强度高，在当前的扭矩和预紧力范围内，紧固件当前承受的应力比材料的屈服强度低，扭矩存在的提升空间；

则提升扭矩至预紧力数据在当前的分散性下结构可靠性达标。

螺栓在实际拧紧过程中，由于影响因素多，例如拧紧工具、拧紧方法、螺栓的表面处理工艺、表面摩擦系数、结构尺寸误差等，对同一批次的螺栓采用完全相同的方法、工具进行拧紧时，也会导致不同螺栓的预紧力不统一，且分散性较大。

而螺栓的预紧力是影响连接结构的可靠性最核心的数据，因此国标严格规定了每种尺寸参数的螺栓的预紧力推荐值，但由于技术限制，工程实际中通常采用扭矩法拧紧，很难将螺栓拧到推荐值附近。

假如我们现在有一个发动机端盖，上面有16个M8 10.9级螺栓，规定的预紧力为28kN，规定扭矩为31.8N·M，在实际安装中，预紧力非常难获取，所以采用扭矩法拧紧，即用扭矩扳手拧紧，当扭矩达到31.8N·M后停止。

但实际上，即使扭矩精准达标，这16个螺栓的预紧力分散性仍然会非常大，可能会高于±30%的误差，这会对发动机端盖的连接可靠性产生严重的影响，这也是实际汽车螺栓经常出现问题的主要原因。

因此，我们需要对发动机端盖法兰连接结构进行数据分散性-结构可靠性关系评估，核心是获取螺栓在相同拧紧方法、相同批次下的拧紧数据的分散程度，并在有限元中去仿真分析数据的分散程度究竟会对结构的可靠性带来多大的影响。

仍然以发动机端盖螺栓连接为例，具体方法如下：

步骤1：首先需要保证试验研究与实际工程中的螺栓、被连接件均是一致的。所以我们需要多个相同批次的发动机端盖或者采用完全一致的材料、工艺制造出来的试验件。螺栓、拧紧工具的各种参数、批次也需要完全一致。

步骤2：需要获取拧紧数据的分散程度，前提就是要获取大量的数据。因此需要在试验件中按照与实际完全一致的条件，采用扭矩法去拧紧螺栓，保证所有的螺栓拧紧扭矩都是31.8N·M。并且去测量此时各个螺栓的预紧力，预紧力的测试方法非常多且成熟。

步骤3：为了保证数据可以反映真实的分布特征，预紧力的数据至少需要上百组。对这一批数据进行预紧力分布模型的提取，提取方法同样不做限制，采用线性代数中经典的分析方法即可，可采用频率法、最大似然估计法、核密度估计法、贝叶斯推断法等。核心目的，是为了获取当前装配工具、装配方法、安装扭矩下的实际预紧力分布模型。

步骤4：既然我们已经有了实际的预紧力分布模型，现在就需要对这个分布模型放到有限元中进行仿真分析了。我们使用这个数学模型，批量生成随机预紧力数据，并批量输入到多个螺栓连接结构有限元仿真模型中，随机数据的数量与仿真模型的数量不做具体要求，但为了保证随机数据可以反映数据分布特征，数据数量与仿真模型数量应尽可能多。例如我们用这个模型生成了1000组随机预紧力数据，每组数据包含16个随机预紧力值(每组数据的容量与待研究的螺栓组的螺栓数量一致)。

步骤5：将这1000组随机预紧力数据输入到发动机端盖有限元仿真模型中，进行1000次有限元仿真，获取仿真分析结果的应力分布状态、最大应力值与应力集中系数可代表结构可靠性，因此可以获得数据分散度与结构可靠性之间的关系，至于如何评估结构可靠性，属于科研前沿的内容，简化的评估方法可以用一个完整结构的应力集中系数局部极值的平均值与标准差来评估，平均值与标准差越小，结构可靠性越高，同时整个结构的应力水平需要全部低于对应材料的屈服极限。

步骤6：到此处我们已经得到了针对本批次产品的数据分散程度，也获得了数据分散度-结构可靠性关系。假设我们发现，研究的发动机端盖当前的拧紧方法下，31.8N·M的拧紧扭矩无法保证预紧力为28kN，数据分散度为30%，结构失效的风险很大。那我们就需要去提高结构的可靠性，当数据分散度满足结构需要时，无需执行提高可靠性的操作。

步骤7：提高可靠性的方法有两种，本步骤讲第一种。最佳的方法当然是降低数据的分散性，来保证预紧力均为28kN附近，但这种方法对产品的成本影响很大，需要通过严格限制每个螺栓的摩擦系数、表面粗糙度、结构尺寸公差来降低影响因素对预紧力转化率的影响。当每个螺栓的各项产品数据近乎一致时，预紧力的分散性会大大减少。此时，将优化工艺后的产品重新从步骤2开始分析，可以获得新的工艺下的数据分散度-结构可靠性关系，如果结构可靠性达标，则设计流程完成，我们就获取了基于工程实际分布下的高可靠性的螺栓连接系统装配方案。

步骤8：本步骤讲第二种方法。这种方法通过提升预紧力基准值来实现。这种方法完全不会提升生产成本，但是有另外的限制。这种方法的前提是，螺栓材料的强度很高，在当前的扭矩和预紧力范围内，螺栓当前承受的应力比材料的屈服强度低很多，有很大的提升空间。满足这个前提下，我们可以提升拧紧扭矩，当前扭矩为31.8N·M，而预紧力还需要提升10%才能保证在当前的分散性下结构可靠性达标，此时我们直接将扭矩提升为35N·M，这样螺栓的预紧力下限得到了提升，结构失效的风险下降。此时，将优化工艺后的产品重新从步骤2开始分析，可以获得新的工艺下的数据分散度-结构可靠性关系，如果结构可靠性达标，则设计流程完成，我们就获取了基于工程实际分布下的高可靠性的螺栓连接系统装配方案。

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 (4)

1.一种基于工程实际分布的紧固连接系统仿真分析方法，其特征在于，包括：

抽取同批次的紧固件中的一部分进行装配，获取相应紧固件的预紧力数据并进行分析，得到当前装配条件下的预紧力分布模型；

使用预紧力分布模型，批量生成随机预紧力数据，将随机预紧力数据输入到有限元仿真模型中；

进行有限元仿真分析，获取仿真分析结果并根据仿真结果以及产品经济限制，执行提高结构可靠性的操作，并重新进行有限元仿真分析，得到螺栓连接系统装配方案；

采用频率法、最大似然估计法、核密度估计法、贝叶斯推断法中的至少之一，获取当前装配工具、装配方法、安装扭矩下的实际预紧力分布模型；

根据产品经济限制执行提高结构可靠性的操作的过程包括：

如果经济性限制小，则降低产品参数的分散性，重新计算预紧力分布模型并进行有限元仿真分析，获取降低数据分散性后的结构可靠性数据；

如果经济性限制大但强度利用率有提升空间，则提高预紧力基准值，重新计算预紧力分布模型并进行有限元仿真分析，获取提高预紧力基准值后的结构可靠性数据；

如果经济性限制小，则限制每个螺栓的摩擦系数、表面粗糙度、结构尺寸公差来降低影响因素对预紧力转化率的影响；

每个紧固件的各项数据越接近，则产品参数的分散性越低；

如果经济性限制大，但紧固件的材料强度高，在当前的扭矩和预紧力范围内，紧固件当前承受的应力比材料的屈服强度低，有很大的提升空间；

则提升扭矩至预紧力数据在当前的分散性下结构可靠性达标。

2.根据权利要求1所述的一种基于工程实际分布的紧固连接系统仿真分析方法，其特征在于：

抽取同批次的紧固件中的一部分进行装配的过程中，所用紧固件与实际工程中所用紧固件的批次相同；

紧固件的被连接件的材质、制造工艺相同，紧固件的装配参数相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于工程实际分布的紧固连接系统仿真分析方法，其特征在于：

装配的方案有多种，对于每一种装配方案均获取当前装配工具、装配方案、安装扭矩下的预紧力分布模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于工程实际分布的紧固连接系统仿真分析方法，其特征在于：

将随机预紧力数据输入到有限元仿真模型中，进行多次有限元仿真，获取仿真分析结果的应力分布状态、最大应力值与应力集中系数作为结构可靠性的代表数据；

得到数据分散度与结构可靠性之间的关系，使用完整结构的应力集中系数局部极值的平均值与标准差来评估结构可靠性；

平均值与标准差越小，结构可靠性越高，同时整个结构的应力水平需要全部低于对应材料的屈服极限。