一種幾何模型力學性能分析方法及裝置的製作方法

2023-10-07 11:09:09

專利名稱：一種幾何模型力學性能分析方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及有限元模型力學分析領域，特別是一種幾何模型力學性能分析方法及
直O
背景技術：
有限元是60年代初期隨著電子計算機的發展而發展起來的一門新的數值計算方法。它在數值分析方法研究領城內具有重大突破性的進展。它的數學邏輯嚴謹、物理概念清晰、易於理解和掌握、應用範圍廣泛，能夠靈活地處理和求解各種複雜問題，特別是它採用矩陣形式表達基本公式，便於運用計算機編程運算，這些優點賦予了有限單元法強大的生命力。有限元首先應用於航空工程.由於其方法的有效性，迅速被推廣應用於造船、機械、動力、建築和核子等工業部門。並從固體力學領域擴展到流體力學、傳熱學、電磁學和振動學等領域。隨著有限元法的廣泛應用，各個領域有限元模型的構建也廣泛展開，各種機構與組件的構建方法不一致。螺紋聯接在機械行業各領域的結構中使用頻率非常高，在有限元模型中，對螺紋聯接結合面的處理方法的研究也很多；通常是按照實際尺寸做出螺栓的模型，用連續介質單元進行網絡劃分，雖然可以得到較準確的有限元模型與較精確的應力、應變分布，但是具有自由度多，建模時間長，計算時間過多的缺點，模型複雜程度大大增加，甚至會導致算例無法求解。按照實際尺寸做出螺栓的模型做分析時一般採用溫度載荷法、預應力單元法、等效載荷法。溫度載荷法是一種廣泛使用的預應力模擬方法。它的基本思想是把預緊載荷換算成對應的溫度梯度載荷，加載在螺栓單元上。若採用實體單元模擬螺栓，溫度載荷可加載在螺帽和螺母之間的螺栓光杆部分。螺栓在熱載荷作用下產生收縮變形，使得螺帽和法蘭、 螺母和法蘭以及法蘭和法蘭之間發生接觸擠壓，這與實際螺栓的預緊行為相類似，因此可以通過溫度載荷與預緊力等效的方法獲得希望的初應力狀態。預應力單元法在螺杆中添加預應力單元，通過預應力單元來模擬螺杆的預應力效果，達到模擬螺紋緊固的作用。參見圖1所示，A為螺紋聯接的結合面。等效外載法是一種較為直觀的螺栓預緊力模擬方法。它的基本思想是將預緊力轉化為對應的外載荷直接施加在螺栓不同部分上。建模時主要有兩種方法。一種是在螺栓端部上施加拉力，在螺母上施加大小相等、方向相反的壓力。另一種方法是將螺栓切為兩部分，分別在兩個切面上施加大小相等、方向相反的拉力載荷。載荷的大小等同於螺栓上的預緊力。現有的方法具有模型複雜，自由度多，建模時間長，計算時間過長的缺點。過多的使用傳統方法處理螺紋聯接結合面，不但會增加模型的複雜性，甚至會導致算例無法求解。

發明內容
本發明提供一種幾何模型力學性能分析方法及裝置，用以提高性能分析速度。本發明提供的一種幾何模型力學性能分析方法，包括確定待分析幾何模型中聯接件和被聯接件的應力錐理論面；根據聯接件和被聯接件的螺紋聯接裝配結合面和所述應力錐理論面，確定螺紋實際結合面的區域；針對所述螺紋實際結合面的區域，建立有限元模型；對所述有限元模型進行靜態分析得到該有限元模型的力學性能狀態信息，其中， 在分析過程中的分析對象不包括螺紋聯接的螺紋組件特徵。本發明提供的一種幾何模型力學性能分析裝置，包括控制單元，用於確定待分析幾何模型中聯接件和被聯接件的應力錐理論面；根據聯接件和被聯接件的螺紋聯接裝配結合面和所述應力錐理論面，確定螺紋實際結合面的區域；有限元模型建立單元，用於針對所述螺紋實際結合面的區域，建立有限元模型；分析單元，用於對所述有限元模型進行靜態分析得到該有限元模型的力學性能狀態信息，其中，在分析過程中的分析對象不包括螺紋聯接的螺紋組件特徵。本發明方案中，對所述有限元模型進行靜態分析得到該有限元模型的力學性能狀態信息，其中，在分析過程中的分析對象不包括螺紋聯接的螺紋組件特徵當螺紋聯接結合面在有限元分析項目中屬於非主要研究對象時，可以起到有效、快速模擬螺紋聯接結合面， 並進行力學性能分析的特點。使用該方法進行裝配體力學性能分析，該方法簡單、有效。


圖1為螺紋聯接的結合面示意圖；圖加和圖2b為應力錐及產生範圍直徑的兩種示意圖；圖3a為第一原始模型；圖北為第一原始模型應力錐理論面示意圖；圖3c為第一原始模型裝配結合面示意圖；圖3d為第一原始模型的實際結合面示意圖；圖如為第二原始模型；圖4b為第二原始模型裝配結合面示意圖；圖如為第二原始模型的實際結合面示意圖；圖fe為結合面分割後的示意圖；圖恥為三維模型；圖6a為結合面分割後的聯接面和被聯接面的網格劃分後的示意圖；圖6b為三維模型劃分網格後的示意圖；圖7為實際結合面示意圖；圖和設置約束條件後的示意圖；圖8b為施加載荷後的示意圖；圖9a、圖9c和圖9e中高亮顯示部分均為應力錐面積與裝配結合面面積求交集後取得的實際結合面積示意圖；圖％、圖9d和圖9f分別為圖9a、圖9c和圖9e等效替代面積示意圖；圖10為本發明實施例方法的流程示意圖；圖11為本發明實施例裝置的結構示意圖。
具體實施例方式參見圖10所示，本發明實施例的幾何模型力學性能分析方法包括以下步驟步驟111 確定待分析幾何模型中聯接件和被聯接件的應力錐理論面。具體的，可以首先比較獲得的聯接件厚度(Hl)與被聯接件的厚度的大小(H2)，將厚度小的值作為計算等效結合區域的高度值(H)；且根據將聯接件和被聯接件進行螺紋聯接的螺紋組件的等效直徑，比如螺栓或螺釘的尺寸、墊片的等效直徑，獲得計算等效結合區域的通孔直徑(Li)。比如參見圖加和圖2b所示，螺栓和螺母擰緊時中間具有墊片，如果採用墊片的直徑大於螺母的螺紋公稱直徑s值時，Ll = 1.5倍螺紋公稱直徑；採用墊片的直徑小於螺母s值時，Ll為墊片的直徑或等效直徑。其中，S表示螺紋公稱直徑，Ll表示等效結合區域的通孔直徑，當等效結合區域為梯形時，可以將一個底邊的長度作為通孔直徑。然後，通過應力錐的原則，根據墊片的類型、所述底邊的長度值和所述高度值，確定應力錐理論面，圖中L為形成的應力錐的一個地面的直徑。該面是一個圓形區域& = 0. 25 JID2，該圓直徑 D = Ll+2XTan(90-θ ) ΧΗ，θ 在；35 55 度之間。步驟112 根據聯接件和被聯接件的螺紋聯接裝配結合面和所述應力錐理論面， 確定螺紋實際結合面的區域。這裡，所述螺紋實際結合面的區域為所述螺紋聯接裝配結合面和所述應力錐理論面的交集。比如參見圖3a 圖3d所示，原始模型為通過螺紋組件聯接的截面為圓環形的聯接件和被聯接件，該模型的應力錐理論面如圖北所示，圖中陰影部分為應力錐理論面，圖 3c示意出聯接件和被聯接件的裝配結合面，其中，陰影部分分別為聯接件和被聯接件的裝配結合面，而聯接件和被聯接件之間的實際結合面的區域為所述螺紋聯接裝配結合面和所述應力錐理論面的交集，如圖3d所示的陰影部分。再如參見圖如 如所示，圖如為通過螺紋組件聯接的兩個長方體的聯接件和被聯接件的原始模型，圖4b所示的陰影部分為其裝配結合面，圖如的陰影部分示意出了其實際結合面。步驟113 針對所述螺紋實際結合面的區域，建立有限元模型。步驟113可以這樣實現(1)刪除待分析幾何模型中起非主要研究對象的螺紋特徵，比如各種螺栓、螺釘、墊片和螺母等。(2)輸入 Hl 為 23mm、H2 為 37mm，通孔直徑 22mm, D = 22+2*23 = 68mm。(2)利用三維軟體或有限元分析軟體對對待分析幾何模型中螺紋聯接裝配面進行分割，得到螺紋聯接面和被聯接面，參見圖fe和圖恥所示。(3)根據設置的聯接面和被聯接面的單元類型，對螺紋聯接面和被聯接面進行網格劃分，比如具體參見圖6a和圖6b所示，並將聯接面和被聯接面的實際結合面進行結合。 這裡的單元類型為網格類型、具體可以包括網格的形狀、大小等。這裡，作為一種實施方式可以這樣實現，在建立的所述有限元模型中刪除了用於螺紋聯接的螺紋組件特徵，所述螺紋組件特徵包括螺紋、螺釘、螺母和墊片中的一種或幾種。則在分析過程中分析對象不包括用於螺紋聯接的螺紋組件特徵；另一種實施方式中，如果建立的有限元模型中包括用於螺紋聯接的螺紋組件特徵，則可以在計算分析過程中忽略螺紋聯接的螺紋組件特徵的分析對象，這樣，作為待分析模型中的非主要研究對象，用於螺紋聯接的螺紋組件被刪除或忽略，不僅不影響分析結果，而且可以大大提高計算分析速度。如圖7所示，實際結合面結合後的效果為面Al與面Bl成為一個面，面A2與面B2 成為一個面，直到面A12與面B12成為一個面。具體實施方法為一、劃分網格前把三維模型中已經分割的面Al與面Bl做布爾加運算，使其成為一個面，直到面A12與面B12做布爾加運算。二、節點耦合法，具體為利用有限元軟體把面Al與面Bi，面A2與面B2…面A12與面B12上網格的節點分別耦合；三、接觸面綁定法，具體為利用有限元軟體把面Al至面A12作為目標面或接觸面， 面Bl至面B12作為接觸面或目標面，形成接觸對，並把接觸對做綁定設置。在對螺紋結合面的處理上，三種方法均可，視所用軟體的實用性，任選一種即可， 達到的效果是一致的。(4)設置邊界條件，所述邊界條件包括約束條件、載荷條件和接觸條件中的任意一個或幾個。當然，也可以設置其他分析的條件。可以根據算例的需要，進行約束條件的添加，參見圖8a所示，本實施例中，對聯接盤的一個端面進行固定約束，因為該端面部位是焊接聯接在一箱體之上，本算例中主要是計算兩法蘭之間在受力後的間隙及兩管卡的變形與應力狀態，圖8a中箭頭80所指示的面被固定約束，即約束6個自由度。也可以根據算例需要，進行載荷的添加，參見圖8b所示，本實施例中，對法蘭盤的端面添加Y向及軸向拉力，即按照箭頭81所指示的方向對圖8a中箭頭80所指示的面施加法向力。在上述方案中，可以對螺紋聯接面和被聯接面的實際結合區域進行面的布爾加運算，再根據設置的聯接面和被聯接面的單元類型，對螺紋聯接面和被聯接面進行網格劃分， 也可以根據設置的聯接面和被聯接面的單元類型，對螺紋聯接面和被聯接面進行網格劃分，對實際結合面上的節點進行耦合處理或在實際結合面中形成接觸且接觸類型為綁定。步驟114 對所述有限元模型進行靜態分析得到該有限元模型的力學性能狀態信息，比如位移計算結果、應力計算結果。其中，在分析過程中的分析對象不包括螺紋聯接的螺紋組件特徵。這裡，作為一種實施方式可以這樣實現，在建立的所述有限元模型中刪除了用於螺紋聯接的螺紋組件特徵，則在分析過程中分析對象不包括用於螺紋聯接的螺紋組件特徵；另一種實施方式中，如果建立的有限元模型中包括用於螺紋聯接的螺紋組件特徵，則可以在計算分析過程中忽略螺紋聯接的螺紋組件特徵的分析對象，這樣，作為待分析模型中的非主要研究對象，用於螺紋聯接的螺紋組件被刪除或忽略，不僅不能影響分析結果，而且可以大大提高計算分析速度，快速為設計者提供所需的數據，為設計的驗證就優化提供有力的數據支持。本發明涉及螺紋聯接結合面有限元模型建立的方法，及使用該方法進行裝配體力學性能分析，該方法簡單、有效；當螺紋聯接結合面在有限元分析項目中屬於非主要研究對象時，可以起到有效、快速模擬螺紋聯接結合面，且易於實現對結合面進行自動化處理，進一步進行力學性能分析的特點。
本發明利用應力錐得到的有效結合面，可用等效面積的形式替代。圖9a、圖9c和圖9e中高亮顯示部分均為應力錐面積與裝配結合面面積求交集後取得的實際結合面積，圖％、圖9d和圖9f分別為圖9a、圖9c和圖9e的等效替代面積。在實際應用中，當應力錐面積重疊到一定程度，可用圖％、圖9d和圖9f所示的情況分別替代圖9a、圖9c和圖9e，即圖9b為替代圖9a，圖9d可替代圖9c，圖9f可替代圖9e。本發明需要根據應力錐原理求出單個螺紋聯接結合處的理論應力影響範圍，該範圍實質為圓形；如果使用別的形狀等效替代圓形也應屬於本發明的範疇；本發明的實際結合面為裝配結合面與應力錐理論面的交集；利用近似的區域範圍也應屬於本發明範疇。參見圖11所示，本實施例的幾何模型力學性能分析裝置，包括控制單元101，用於確定待分析幾何模型中聯接件和被聯接件的應力錐理論面； 根據聯接件和被聯接件的螺紋聯接裝配結合面和所述應力錐理論面，確定螺紋實際結合面的區域；有限元模型建立單元102，用於針對所述螺紋實際結合面的區域，建立有限元模型；分析單元103，用於對所述有限元模型進行靜態分析得到該有限元模型的力學性能狀態信息，其中，在分析過程中的分析對象不包括螺紋聯接的螺紋組件特徵。所述有限元模型中沒有用於螺紋聯接的螺紋組件特徵，或，所述分析單元103用於在分析過程中的分析對象不包括螺紋聯接的螺紋組件特徵。所述控制單元101用於比較獲得的聯接件厚度與被聯接件的厚度的大小，將厚度小的值作為計算等效結合區域的高度值；且根據將聯接件和被聯接件進行螺紋聯接的螺紋組件的等效直徑，比如螺栓或螺釘的尺寸、墊片的等效直徑，獲得計算等效結合區域的一個底邊的長度值；通過應力錐的原則，所述底邊的長度值和所述高度值，確定應力錐理論面。所述螺紋實際結合面的區域為所述螺紋聯接裝配結合面和所述應力錐理論面的交集。如果所述有限元模型中沒有用於螺紋聯接的螺紋組件特徵，則所述有限元模型建立單元102用於刪除待分析幾何模型中螺紋特徵；根據設置的聯接面和被聯接面的單元類型，對螺紋聯接面和被聯接面進行網格劃分，並將聯接面和被聯接面的實際結合面進行結合；設置邊界條件，所述邊界條件包括約束條件、載荷條件和接觸條件中的任意一個或幾個。所述有限元模型建立單元102用於在確定螺紋實際結合面的區域後，進一步對待分析幾何模型中螺紋聯接裝配面進行分割，得到螺紋聯接面和被聯接面。所述有限元模型建立單元102用於對螺紋聯接面和被聯接面的實際結合區域進行面的布爾加運算，再根據設置的聯接面和被聯接面的單元類型，對螺紋聯接面和被聯接面進行網格劃分。所述有限元模型建立單元102用於根據設置的聯接面和被聯接面的單元類型，對螺紋聯接面和被聯接面進行網格劃分，對實際結合面上的節點進行耦合處理或在實際結合面中形成接觸且接觸類型為綁定。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種幾何模型力學性能分析方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟 確定待分析幾何模型中聯接件和被聯接件的應力錐理論面；根據聯接件和被聯接件的螺紋聯接裝配結合面和所述應力錐理論面，確定螺紋實際結合面的區域；針對所述螺紋實際結合面的區域，建立有限元模型；對所述有限元模型進行靜態分析得到該有限元模型的力學性能狀態信息，其中，在分析過程中的分析對象不包括螺紋聯接的螺紋組件特徵。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述有限元模型中沒有用於螺紋聯接的螺紋組件特徵，或，在分析過程中忽略螺紋聯接的螺紋組件特徵的分析對象。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述確定待分析幾何模型中聯接件和被聯接件的應力錐理論面包括比較獲得的所述聯接件厚度與被聯接件的厚度的大小，將厚度小的值作為計算等效結合區域的高度值；且根據將聯接件和被聯接件進行螺紋聯接的螺紋組件的等效直徑獲得計算等效結合區域的一個底邊的長度值；通過應力錐的原則，根據所述底邊的長度值和所述高度值，確定應力錐理論面。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述螺紋實際結合面的區域為所述螺紋聯接裝配結合面和所述應力錐理論面的交集。
5.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，如果所述有限元模型中沒有用於螺紋聯接的螺紋組件特徵，則所述建立有限元模型包括刪除待分析幾何模型中螺紋特徵；根據設置的聯接面和被聯接面的單元類型，對螺紋聯接面和被聯接面進行網格劃分， 並將聯接面和被聯接面的實際結合面進行結合；設置邊界條件，所述邊界條件包括約束條件、載荷條件和接觸條件中的任意一個或幾個。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，在確定所述螺紋實際結合面的區域後，進一步包括對所述待分析幾何模型中螺紋聯接裝配面進行分割，得到螺紋聯接面和被聯接面。
7.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述對螺紋聯接面和被聯接面進行網格劃分，並將聯接面和被聯接面的實際結合面進行結合包括對螺紋聯接面和被聯接面的實際結合區域進行面的布爾加運算，再根據設置的聯接面和被聯接面的單元類型，對螺紋聯接面和被聯接面進行網格劃分；或，所述對螺紋聯接面和被聯接面進行網格劃分，並將聯接面和被聯接面的實際結合面進行結合包括根據設置的聯接面和被聯接面的單元類型，對螺紋聯接面和被聯接面進行網格劃分， 對實際結合面上的節點進行耦合處理或在實際結合面中形成接觸且接觸類型為綁定。
8.—種幾何模型力學性能分析裝置，其特徵在於，包括控制單元，用於確定待分析幾何模型中聯接件和被聯接件的應力錐理論面；根據聯接件和被聯接件的螺紋聯接裝配結合面和所述應力錐理論面，確定螺紋實際結合面的區域； 有限元模型建立單元，用於針對所述螺紋實際結合面的區域，建立有限元模型；分析單元，用於對所述有限元模型進行靜態分析得到該有限元模型的力學性能狀態信息，其中，在分析過程中的分析對象不包括螺紋聯接的螺紋組件特徵。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述有限元模型中沒有用於螺紋聯接的螺紋組件特徵，或，所述分析單元，用於在分析過程中的分析對象不包括螺紋聯接的螺紋組件特徵。
10.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述控制單元，用於比較獲得的聯接件厚度與被聯接件的厚度的大小，將厚度小的值作為計算等效結合區域的高度值；且根據將聯接件和被聯接件進行螺紋聯接的螺紋組件的獲得計算等效結合區域的一個底邊的長度值；通過應力錐的原則，根據墊片的類型、所述底邊的長度值和所述高度值，確定應力錐理論面。
11.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述螺紋實際結合面的區域為所述螺紋聯接裝配結合面和所述應力錐理論面的交集。
12.根據權利要求11所述的裝置，其特徵在於，如果所述有限元模型中沒有用於螺紋聯接的螺紋組件特徵，則所述有限元模型建立單元，用於刪除待分析幾何模型中螺紋特徵； 根據設置的聯接面和被聯接面的單元類型，對螺紋聯接面和被聯接面進行網格劃分，並將聯接面和被聯接面的實際結合面進行結合；設置邊界條件，所述邊界條件包括約束條件、載荷條件和接觸條件中的任意一個或幾個。
13.根據權利要求12所述的裝置，其特徵在於，所述有限元模型建立單元，用於在確定所述螺紋實際結合面的區域後，進一步對所述待分析幾何模型中螺紋聯接裝配面進行分害Ij，得到螺紋聯接面和被聯接面。
14.根據權利要求12所述的裝置，其特徵在於，所述有限元模型建立單元，用於對螺紋聯接面和被聯接面的實際結合區域進行面的布爾加運算，再根據設置的聯接面和被聯接面的單元類型，對螺紋聯接面和被聯接面進行網格劃分；或者，所述有限元模型建立單元，用於根據設置的聯接面和被聯接面的單元類型，對螺紋聯接面和被聯接面進行網格劃分，對實際結合面上的節點進行耦合處理或在實際結合面中形成接觸且接觸類型為綁定。
全文摘要
本發明公開了一種幾何模型力學性能分析方法，該方法包括為確定待分析幾何模型中聯接件和被聯接件的應力錐理論面；根據聯接件和被聯接件的螺紋聯接裝配結合面和所述應力錐理論面，確定螺紋實際結合面的區域；針對所述螺紋實際結合面的區域，建立有限元模型；對所述有限元模型進行靜態分析得到該有限元模型的力學性能狀態信息，其中，在分析過程中的分析對象不包括螺紋聯接的螺紋組件特徵。因此，作為待分析模型中的非主要研究對象，用於螺紋聯接的螺紋組件被刪除或忽略，不僅不能影響分析結果，而且可以大大提高計算分析速度。
文檔編號G06F17/50GK102542118SQ201210004819
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者楊鋼 申請人:中聯重科股份有限公司