一種可實現六面體網格劃分的螺栓有限元參數化建模方法
2023-04-28 17:44:41
專利名稱：一種可實現六面體網格劃分的螺栓有限元參數化建模方法
技術領域：
本發明涉及一種螺栓有限元建模方法，更具體地說，本發明涉及一種可實現六面體網格劃分，用於更精確分析螺栓聯接壓力分布、應力集中和自鬆弛等聯接性能的螺栓模型參數化構建方法。
背景技術：
螺栓聯接由於其可獲得很大預緊力且拆卸方便而被廣泛應用於機械系統中，其聯接性能的好壞直接影響機械系統整機性能。目前，就螺栓聯接性能(剛度、強度、疲勞和應力鬆弛等)而言，在試驗研究、基於彈性理論的理論分析和數值模擬三個方面都有所突破。 但有限元技術在螺栓聯接應力鬆弛、螺紋齒根的應力集中等高精度性能分析方面擁有明顯的優勢，已成為最為有力的螺栓連接性能分析手段。螺栓聯接有限元模型作為性能分析的載體，其構建的合理與否直接關係計算精度和求解效率。在螺栓聯接的傳統有限元性能分析中，軸對稱的二維模型被廣泛應用，但由於其未考慮螺紋的三維幾何效應，不能有效的分析應力集中、自鬆弛等問題；有學者利用螺旋掃描的方法構建了螺栓聯接三維模型，此模型考慮了螺紋幾何效應，但由於商用有限元軟體功能的限制，其網格劃分多採用三維四面體自由網格劃分的方法，從而無法保證網格劃分的質量，影響計算精度和求解效率。而三維六面體網格在計算精度、劃分網格數量、抗畸變程度等方面比三維四面體網格具有明顯的優勢。因此，有必要提出一種在建模階段就考慮到網格劃分的建模方法，實現考慮螺紋幾何形狀的螺栓模型六面體掃描網格劃分，改善螺栓模型網格劃分質量，從而提高螺栓聯接仿真計算的求解精度和效率。
發明內容
本發明的主要目的是提供一種可實現六面體網格劃分的螺栓有限元參數化建模方法，改善螺栓模型網格劃分質量，提高聯接仿真計算的求解精度和求解效率，同時為其他含有螺紋幾何形狀的結構(如螺釘、螺母等)實現六面體網格劃分提供方法參照。本發明的技術方案是這樣實現的一種可實現六面體網格劃分的螺栓有限元參數化建模方法，包含下述步驟1)關鍵幾何尺寸參數化在有限元軟體中對螺栓模型關鍵幾何尺寸進行參數化設定；2)螺紋單截面模型構建將螺紋單截面沿周向分為四個部分，四部分面擁有同一圓心，而每個面的半徑變化規律一致，利用分段表達法構建垂直螺栓軸線方向的螺紋單截面模型；3)單節距螺紋截面構建沿螺栓軸線的方向將單節距劃分17個截面，以步驟2) 中構建的螺紋單截面模型的關鍵點為對象，利用關鍵點平移和旋轉的方法構建單節距上各個螺紋截面模型；4)螺紋段體模型構建通過對步驟幻中構建的單節距上各個螺紋截面模型進行面分割，利用有限元軟體體生成、複製和平移功能，沿螺栓軸線方向生成數目為螺紋個數的 螺紋段體模型；5)不帶螺紋的螺杆模型構建利用有限元的圓柱體建模功能構建不帶螺紋的螺 杆模型，依照螺紋體模型沿軸線的分割界限劃分新建的不帶螺紋的螺杆模型；6)螺杆和螺紋結合部處理將步驟4)構建的螺杆體模型和步驟幻構建的螺紋體 模型結合部對應的關鍵點相連生成連接線，並利用各段的連接線生成螺杆和螺紋結合部的 閉合面模型，通過面模型生成相應的體模型；7)螺栓頭模型構建依據螺栓頭實際尺寸，構建螺桿頭部圓柱體和六角螺栓頭， 依照螺紋體模型沿軸線的分割界限劃分新建體模型；8)六面體網格劃分選取單元類型，利用映射Mapped劃分整個螺栓體模型，生成 螺栓單元網格模型。所述的螺栓模型關鍵幾何尺寸包括螺栓公稱直徑d，螺紋節距P，螺紋圈數nn，螺 紋牙半角a，齒根圓角半徑P，齒全高H，螺紋段長度B，螺杆長度L，螺栓頭厚度KGC，六角 螺栓頭內切圓直徑S，六角螺栓頭對頂點距離e，螺桿頭部圓柱體直徑DW，厚度e。所述的利用分段表達法構建垂直螺栓軸線方向的螺紋單截面模型，具體包含以下 步驟1)利用有限元軟體關鍵點的構建功能建立第一段圓弧線上的7個關鍵點 (kpl，……，kp7)，每個關鍵點的柱坐標如下式所示
權利要求
1.一種可實現六面體網格劃分的螺栓有限元參數化建模方法，其特徵在於，包含下述步驟1)在有限元軟體中對螺栓模型關鍵幾何尺寸進行參數化設定；2)將螺紋單截面沿周向分為四個部分，四部分面擁有同一圓心，而每個面的半徑變化規律一致，利用分段表達法構建垂直螺栓軸線方向的螺紋單截面模型；3)沿螺栓軸線的方向將單節距劃分17個截面，以步驟幻中構建的螺紋單截面模型的關鍵點為對象，利用關鍵點平移和旋轉的方法構建單節距上各個螺紋截面模型；4)通過對步驟3)中構建的單節距上各個螺紋截面模型進行面分割，利用有限元軟體體生成、複製和平移功能，沿螺栓軸線方向生成數目為螺紋個數的螺紋段體模型；5)利用有限元的圓柱體建模功能構建不帶螺紋的螺杆模型，依照螺紋體模型沿軸線的分割界限劃分新建的不帶螺紋的螺杆模型；6)將步驟4)構建的螺杆體模型和步驟5)構建的螺紋體模型結合部對應的關鍵點相連生成連接線，並利用各段的連接線生成螺杆和螺紋結合部的閉合面模型，通過面模型生成相應的體模型；7)依據螺栓頭實際尺寸，構建螺桿頭部圓柱體和六角螺栓頭，依照螺紋體模型沿軸線的分割界限劃分新建體模型；8)選取單元類型，利用映射Mapped劃分整個螺栓體模型，生成螺栓六面體單元網格模型。
2.根據權利要求1所述的一種可實現六面體網格劃分的螺栓有限元參數化建模方法， 其特徵在於，所述的螺栓模型關鍵幾何尺寸包括螺栓公稱直徑d，螺紋節距P，螺紋圈數皿，螺紋牙半角α，齒根圓角半徑P，齒全高H，螺紋段長度B，螺杆長度L，螺栓頭厚度KGC， 六角螺栓頭內切圓直徑S，六角螺栓頭對頂點距離e，螺桿頭部圓柱體直徑DW，厚度C。
3.根據權利要求1所述的一種可實現六面體網格劃分的螺栓有限元參數化建模方法， 其特徵在於，所述的利用分段表達法構建垂直螺栓軸線方向的螺紋單截面模型，具體包含以下步驟1)利用有限元軟體關鍵點的構建功能建立第一段圓弧線上的7個關鍵點(kpl，……， kp7)，每個關鍵點的柱坐標如下式所示
4.根據權利要求1所述的一種可實現六面體網格劃分的螺栓有限元參數化建模方法， 其特徵在於，所述的利用關鍵點平移和旋轉的方法構建單節距上各個螺紋截面模型，具體包含以下步驟1)沿螺栓軸線的方向將單節距螺紋劃分為17個截面，間距為P/16，第j個分割截面的 Z軸坐標為P*(j_l)/16，其中j = 1，……，17;2)將第j，j值初始為1，個分割截面模型的關鍵點複製並沿螺栓軸線方向平移P/16距離，且將平移後的關鍵點繞螺栓軸線逆時針旋轉3個周向關鍵點的位置；3)用樣條曲線連接上述所建立的關鍵點形成閉合曲線，同時要保證相鄰分段曲線相切，利用閉合曲線生成第j個螺紋分割截面模型；4)遞增j值，每次遞增值為1，j< 17，重複上述2~)和幻步驟，生成單節距螺紋上的其餘分割截面模型。
5.根據權利要求1所述的一種可實現六面體網格劃分的螺栓有限元參數化建模方法， 其特徵在於，所述的沿螺栓軸線方向生成數目為螺紋個數的螺紋段體模型，具體包含以下步驟1)利用面分割功能，將螺紋各截面分割成相位為η/2的四塊面模型；2)將第j和第j+Ι分割截面上對應位置關鍵點相連生成連接線，j值初始為1；3)利用連接線和分段圓弧線生成八塊連接第j和第j+Ι分割截面的面模型，其中四塊周向面模型，四塊徑向面模型；4)利用上述幻步驟中生成的面模型、第j和第j+Ι分割截面生成四塊體模型；5)遞增j值，j= 2，……，17，重複幻、3)和4)步驟，生成單節距螺紋上的其餘分割體模型；6)利用有限元的體搭接功能，依據長和寬為1/3齒根圓半徑，高為一個螺紋節距的長方體，將分割後的單節距螺紋體模型每段分區沿徑向分割為兩塊；7)利用有限元複製與平移功能，將分割後的單節距螺紋體模型行沿軸向生成數目為螺紋個數的螺紋段體模型。
全文摘要
本發明公開了一種可實現六面體網格劃分的螺栓有限元參數化建模方法，在有限元軟體中對螺栓模型關鍵幾何尺寸進行參數化設定，通過分段表達法構建垂直螺栓軸線方向的螺紋單截面模型，利用關鍵點平移和旋轉的方法構建單節距上各個螺紋截面模型，通過體生成、複製和平移的方法沿螺栓軸線方向生成數目為螺紋個數的螺紋段體模型，依照螺紋體模型沿軸線的分割界限劃分不帶螺紋的螺杆模型，對螺杆和螺紋結合部進行單獨體生成處理，依照螺紋體模型沿軸線的分割界限劃分螺栓頭體模型，利用映射Mapped劃分整個螺栓體模型，最終生成螺栓六面體網格單元模型。本發明改善了螺栓模型網格劃分質量，提高了螺栓聯接仿真計算的求解精度和求解效率。
文檔編號G06F17/50GK102332047SQ20111030271
公開日2012年1月25日 申請日期2011年10月9日 優先權日2011年10月9日
發明者朱林波, 李寶童, 楊國慶, 洪軍, 王崴 申請人:西安交通大學