一種螺栓的有限元分析方法及強度評估方法
2023-05-30 20:26:01
一種螺栓的有限元分析方法及強度評估方法
【專利摘要】本發明涉及一種螺栓的有限元分析方法及強度評估方法，可用於複雜結構、複雜載荷下大量螺栓的快速建模和強度評估，屬於螺栓強度評估【技術領域】。讀取螺栓應力的有限元分析結果；在螺杆中部建立平行於螺帽的截面，提取不同載荷步下截面上的拉力、彎矩；以螺杆拉力為橫坐標，以螺杆彎矩為縱坐標，做曲線圖；隨著螺栓拉力增大，螺栓彎矩達到峰值；螺栓力繼續增大，螺栓彎矩開始下降，表明螺栓進入屈服；隨著螺栓拉力進一步增大，螺栓彎矩降低到峰值一半時，表明螺栓達到強度極限。採用有限元方法計算螺栓應力，並建立螺栓強度判據，提高了螺栓強度計算的精度。
【專利說明】一種螺栓的有限元分析方法及強度評估方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種螺栓的有限元分析方法及強度評估方法，可用於複雜結構、複雜 載荷下大量螺栓的快速建模和強度評估，屬於螺栓強度評估【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 螺栓被廣泛使用到多型運載火箭，螺栓強度評估是一項重要的工作。傳統分析採 用工程算法，能快速估計螺栓強度，但精度較低：螺栓力分析具有較強的非線性效應，被連 接件變形導致的接觸面支點變化對螺栓力具有決定性的影響，這一點工程算法無法考慮； 另外，複雜結構、複雜載荷下傳力路徑很複雜，工程算法很難做出合理假設。有限元方法能 獲得較真實的傳力路徑及各螺栓承力分布，也可以較準確的模擬接觸面非線性效應，具有 較高精度；但是，大量螺栓強度評估的工作量極大，耗費了設計人員大量時間、很大程度上 影響研製進程。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是為了克服上述現有技術的不足，提出一種螺栓的有限元分析方法 及強度評估方法。
[0004] 本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
[0005] 本發明的一種螺栓的有限元分析方法，步驟為：
[0006] 1)對螺栓建立有限元模型，有限元模型中所使用的參數為螺栓的材料屬性和螺栓 的幾何尺寸；
[0007] 所述的螺栓的材料屬性是指螺栓材料的彈性模量、泊松比、屈服應力、極限強度和 斷後伸長率；
[0008] 所述的螺栓的幾何尺寸參數，是指螺杆的直徑R和長度L、螺釘頭的直徑&和厚度 h，螺帽的直徑R2和厚度t2 ;
[0009] 2)對法蘭建立有限元模型，有限元模型中所使用的參數為法蘭的材料屬性和法蘭 的幾何尺寸；
[0010] 所述的法蘭的材料屬性是指法蘭材料的彈性模量、泊松比、屈服應力、極限強度和 斷後伸長率；
[0011] 所述的法蘭的幾何尺寸參數，是指法蘭的外徑r、寬度w、厚度t，高度h、筒壁厚度 d、螺孔直徑R'、螺孔到筒壁距離D;
[0012] 3)將步驟1)中建立的螺栓模型、步驟2)中建立的法蘭模型進行裝配，得到裝配模 型；
[0013] 4)採用有限元工具對步驟3)得到的裝配模型進行接觸關係設定，法蘭的對接面 設為接觸關係，螺帽與法蘭之間設為接觸關係，螺杆與螺孔之間設為接觸關係。
[0014] 5)採用有限元工具對步驟3)得到的裝配模型進行單元劃分，得到單元模型，六面 體單元均採用非協調元，四面體單元均採用二階修正單元；
[0015] 進行單元劃分時要求螺杆和螺孔的周向單元數目相同，且單元數目不少於8個； 要求法蘭厚度方向的單元數目不少於2個，螺杆長度方向的單元數目為奇數，且不少於5 個。
[0016] 6)採用有限元工具在單元模型上施加邊界條件和載荷，然後用有限元工具對單元 模型進行應力分析，得到螺栓應力的有限元分析結果。
[0017] 本發明的一種螺栓的強度評估方法，步驟為：
[0018] 1)讀取螺栓應力的有限元分析結果；
[0019] 2)在螺杆中部建立平行於螺帽的截面，提取不同載荷步下截面上的拉力、彎矩；
[0020] 3)以螺杆拉力為橫坐標，以螺杆彎矩為縱坐標，做曲線圖；
[0021] 4)隨著螺栓拉力增大，螺栓彎矩達到峰值；螺栓力繼續增大，螺栓彎矩開始下降， 表明螺栓進入屈服；隨著螺栓拉力進一步增大，螺栓彎矩降低到峰值一半時，表明螺栓達到 強度極限。
[0022] 有益效果
[0023] 採用有限元方法計算螺栓應力，並建立螺栓強度判據，提高了螺栓強度計算的精 度。
【專利附圖】
【附圖說明】： 圖1為螺栓的幾何參數的示意圖； 圖2為法蘭的幾何參數的示意圖； 圖3為法蘭的結構示意圖； 圖4為以螺杆拉力為橫坐標，以螺杆彎矩為縱坐標的曲線圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合實施例對本發明做進一步說明。
[0025] 實施例
[0026] 1)對螺栓建立有限元模型，模型中包括螺栓的材料性能和幾何尺寸。
[0027] 螺栓材料為30CrMnSiA，彈性模量為200GP、泊松比為0· 3、屈服應力為735MPa、極 限強度為1030MPa，斷後伸長率為10% ;
[0028] 螺栓的幾何參數如附圖1所示，參數值為：螺杆直徑R為8mm、長度L為12mm、螺釘 頭直徑札為12mm、厚度為3mm、螺帽直徑R 2為12mm、厚度t2為3mm ;
[0029] 2)對法蘭建立有限元模型，模型中包括法蘭的材料性能和幾何尺寸。
[0030] 法蘭材料為30CrMnSiA，彈性模量為200GP、泊松比為0· 3、屈服應力為735MPa、極 限強度為1030MPa，斷後伸長率為10% ;
[0031] 法蘭的幾何參數如附圖2所示，參數值為：法蘭的外直徑r為2000mm、厚度t為 6mm、寬度w為60mm，高度h為60mm、筒壁厚度d為10mm、螺孔直徑V為9mm、螺孔到筒壁距 離 D 為 18. 5mm ;
[0032] 3)將步驟1)中建立的螺栓模型、步驟2)中建立的兩個法蘭模型進行裝配，法蘭通 過螺栓連接，得到裝配模型；
[0033] 4)設定法蘭之間、法蘭和螺栓之間的接觸關係，兩個法蘭的對接面設為接觸關係， 螺帽與法蘭之間設為接觸關係，螺杆與螺孔之間設為接觸關係；
[0034] 5)採用有限元工具對步驟3)得到的裝配模型進行單元劃分，螺杆的周向單元數 目為20個、長度方向單元數目為9個，螺孔的周向單元數目為16個，法蘭厚度方向單元數 目為2個，均採用六面體非協調元，得到單元模型；
[0035] 6)採用有限元工具在單元模型上施加邊界條件和載荷，固定約束一個法蘭的端 部，在另一個法蘭端部施加軸向拉力，然後用有限元工具進行應力分析，得到螺栓應力的有 限元分析結果。
[0036] 7)讀取螺栓應力的有限元分析結果，進行螺栓強度評判；
[0037] 8)在螺杆中部建立平行於螺帽的截面，提取不同載荷步下截面上的拉力、彎矩； 以螺杆拉力為橫坐標，以螺杆彎矩為縱坐標，做曲線圖如圖4所示；
[0038] 9)隨著螺栓拉力增大，螺栓彎矩達到峰值33. 8kN ;螺栓力繼續增大，螺栓彎矩 開始下降，表明螺栓開始進入屈服；隨著螺栓拉力進一步增大到47. 8kN，螺栓彎矩降低到 17. IN.m，表明螺栓達到強度極限。
【權利要求】
1. 一種螺栓的有限元分析方法，其特徵在於步驟為： 1) 對螺栓建立有限元模型，有限元模型中所使用的參數為螺栓的材料屬性和螺栓的幾 何尺寸； 所述的螺栓的材料屬性是指螺栓材料的彈性模量、泊松比、屈服應力、極限強度和斷後 伸長率； 所述的螺栓的幾何尺寸參數包括螺杆的直徑和長度、螺釘頭的直徑和厚度，螺帽的直 徑和厚度； 2) 對法蘭建立有限元模型，有限元模型中所使用的參數為法蘭的材料屬性和法蘭的幾 何尺寸； 所述的法蘭的材料屬性是指法蘭材料的彈性模量、泊松比、屈服應力、極限強度和斷後 伸長率； 所述的法蘭的幾何尺寸參數包括法蘭的外徑、寬度、厚度，高度、筒壁厚度、螺孔直徑、 螺孔到筒壁距離； 3) 將步驟1)中建立的螺栓模型、步驟2)中建立的法蘭模型進行裝配，得到裝配模型； 4) 採用有限元工具對步驟3)得到的裝配模型進行接觸關係設定，法蘭的對接面設為 接觸關係，螺帽與法蘭之間設為接觸關係，螺杆與螺孔之間設為接觸關係； 5) 採用有限元工具對步驟3)得到的裝配模型進行單元劃分，得到單元模型，六面體單 元均採用非協調元，四面體單元均採用二階修正單元； 進行單元劃分時要求螺杆和螺孔的周向單元數目相同，且單元數目不少於8個；要求 法蘭厚度方向的單元數目不少於2個，螺杆長度方向的單元數目為奇數，且不少於5個； 6) 採用有限元工具在單元模型上施加邊界條件和載荷，然後用有限元工具對單元模型 進行應力分析，得到螺栓應力的有限元分析結果。
2. -種螺栓的強度評估方法，其特徵在於步驟為： 1) 讀取螺栓應力的有限元分析結果； 2) 在螺杆中部建立平行於螺帽的截面，提取不同載荷步下截面上的拉力、彎矩； 3) 以螺杆拉力為橫坐標，以螺杆彎矩為縱坐標，做曲線圖； 4) 隨著螺栓拉力增大，螺栓彎矩達到峰值；螺栓力繼續增大，螺栓彎矩開始下降，表明 螺栓進入屈服；隨著螺栓拉力進一步增大，螺栓彎矩降低到峰值一半時，表明螺栓達到強度 極限。
【文檔編號】G06F17/50GK104156498SQ201410225425
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2014年5月26日
【發明者】章凌, 張希, 王斌, 楊帆, 李林生, 袁彪 申請人:北京宇航系統工程研究所, 中國運載火箭技術研究院