一种高强螺栓连接结构的有限元建模方法及强度评估方法技术

本发明专利技术公开了一种高强螺栓连接结构的有限元建模方法，连接结构包括与螺栓等长的螺杆及位于螺杆一端的螺栓头，螺杆另一端与夹紧体采用螺纹连接，建模方法包括：对螺栓头和夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模；用三维梁单元简化模拟螺杆部分；用梁单元连接实体单元与三维梁单元对应位置上的节点。上述螺杆的另一端可采用螺母连接来替代与夹紧体的螺纹连接；上述螺杆可替换为双头螺柱，螺栓头替换为螺母；本发明专利技术还公开了高强螺栓连接结构的强度评估方法，进一步包括：对夹紧体采用三维实体单元建模，模拟相互作用；对螺杆梁单元施加预紧力，在夹紧体上施加外载和约束，分步加载求解；提取结果，分析判断承载状态。本发明专利技术可保证结果精度和计算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种高强螺栓连接结构的有限元建模方法及强度评估方法
本专利技术涉及螺栓建模领域，特别是涉及一种适用于风力发电机组的高强螺栓连接结构的有限元建模方法及强度评估方法。
技术介绍
高强螺栓是目前工业设计中用于结构连接最常用的形式之一，其优点是设计灵活，便于拆卸，方便连接结构的后期维护。但由于螺栓连接施工工艺复杂，受外界因素影响较多，因此在设计阶段须准确分析螺栓承载特性，确保连接强度能够满足设计要求，从而保证连接结构安全可靠。目前螺栓连接强度分析以工程算法为主，根据连接结构形式划分为几大类，再结合经验系数建立力学平衡方程，从而推导出外载与螺栓表面应力关系。随着有限元技术发展和计算机技术进步，为求解分析螺栓受力提供了一种更加精确的方法。风力发电机组中采用的高强螺栓存在着所连接结构形式复杂、外部承载形式多样、螺栓数量多且排布无序等特点，因此能够找到一种快捷方便、能准确反映螺栓性能的有限元建模方法则成为解决螺栓设计分析的关键因素。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种快捷有效、能准确反映螺栓性能的可实现对高强螺栓连接结构的有限元仿真分析的有限元建模方法。并再提供一种能够准确模拟在复杂工况作用下高强螺栓表面应力变化、确保设计安全的高强螺栓连接结构的强度评估方法。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供一种高强螺栓连接结构的有限元建模方法，所述高强螺栓连接结构包括与高强螺栓等长的螺杆及位于螺杆一端的螺栓头，所述螺杆的另一端与夹紧体采用螺纹连接，所述有限元建模方法包括如下步骤：1)对螺栓头和夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模：将所述螺栓头、夹紧体的螺纹孔位置进行切分和几何处理得到若干三维几何体，使其具备扫略生成均匀网格的条件；将所述三维几何体扫略生成均匀六面体网格；2)用三维梁单元简化模拟螺杆部分：将所述螺杆部分简化成位于轴线位置且与高强螺栓等长的直线段,所述螺杆部分包括螺纹杆和光杆，根据螺纹杆、光杆的特征将螺杆部分进行分段处理，所述螺栓头及与其对应的部分螺杆、夹紧体的螺纹孔及与其对应的部分螺杆在轴线方向的单元个数一致，所述梁单元能够真实反映螺杆截面所承受的轴力和弯矩；3)用梁单元连接所述螺纹杆与夹紧体的螺纹孔位置单元节点，模拟螺纹连接关系，通过控制连接单元数量，模拟螺纹连接在轴线方向和圆周方向上的均匀性和连续性；用梁单元连接所述螺栓头位置的螺杆与螺栓头单元节点，通过控制连接单元在圆周方向的数量，模拟螺栓头接触面上压力的均匀性。进一步地，所述螺杆的另一端采用螺母连接方式来替代与夹紧体的螺纹连接；对应地，夹紧体的螺纹孔位置替换为螺母。进一步地，所述与高强螺栓等长的螺杆替换为与高强螺栓等长的双头螺柱，所述位于螺杆一端的螺栓头替换为位于双头螺柱一端的第一螺母。进一步地，所述螺杆的另一端采用螺母连接方式来替代与夹紧体的螺纹连接；对应地，将夹紧体的螺纹孔位置替换为第二螺母。进一步地，所述步骤1)中，生成的均匀六面体网格沿螺栓轴线循环对称。进一步地，所述三维梁单元的每个节点有6个方向自由度。进一步地，所述步骤2)中的螺杆部分还包括缩径，根据螺纹杆、光杆、缩径的特征将螺杆部分进行分段处理。进一步地，所述高强螺栓为风电机组领域的高强螺栓。另一方面，提供一种高强螺栓连接结构的强度评估方法，包括所述的建模方法，还包括如下步骤：S1：对夹紧体采用三维实体单元建模，在所述高强螺栓和夹紧体的每个接触面上设置接触单元模拟实际结构之间的相互作用；S2：通过在模拟螺杆的梁单元中间位置设置预紧单元，并对螺杆梁单元施加预紧力，在所述夹紧体上施加外载和约束，分步加载求解；S3：通过提取模拟螺杆梁单元截面上的力和应力结果，分析判断高强螺栓上的承载状态，完成连接结构强度评估。进一步地，所述高强螺栓为风电机组领域的高强螺栓。由于采用上述技术方案，本专利技术至少具有以下优点：(1)本专利技术的改进之处在于分段模拟高强螺栓全部特征，通过对螺栓头、夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模，对螺杆部分进行三维梁单元简化处理，螺杆部分根据光杆、螺纹杆、缩径等特征进行分段处理，并用梁单元连接螺纹杆与夹紧体的螺纹孔、用梁单元连接螺栓头位置的螺杆与螺栓头，从而模拟高强螺栓的全部特征；对螺栓头、夹紧体的螺纹孔位置的几何处理及网格均匀划分、螺杆部分分段模拟及螺纹啮合部位的连接处理为本专利技术的关键技术环节，是保证计算结果精度、确保本专利技术方法有效可行的核心；相应地，通过对夹紧体进行三维实体建模模拟实际结构之间的相互作用，并通过设置预紧单元并施加预紧力对高强螺栓连接结构进行强度评估；(2)本专利技术也可以模拟双头螺柱连接结构，双头螺柱的螺杆一端连接的第一螺母则相当于位于高强螺栓螺杆一端的螺栓头，螺纹杆、光杆等部分的处理则与高强螺栓相同；(3)本专利技术不仅可以模拟夹紧体对螺杆部分的预紧力，也可以模拟螺母；(4)本专利技术为风力发电机组高强螺栓设计计算提供了一种快捷有效的建模方法，借助该方法可实现对螺栓连接结构进行快速有限元仿真分析，能够准确模拟在复杂工况作用下高强螺栓表面应力变化，确保设计安全，同时，相对传统有限元建模方法，该专利技术可大幅提高工作效率，能够保证研发进度和设计优化迭代，为风力发电机组整机设计技术不断进步提供技术保障。附图说明上述仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。图1是本专利技术高强螺栓的工作几何模型的一个实施例的示意图；图2是本专利技术的待模拟的单个高强螺栓的一个实施例的示意图；图3是本专利技术模拟图1的单个高强螺栓的有限元模型的示意图；图4是本专利技术双头螺柱的有限元模型的另一个实施例的示意图。具体实施方式本专利技术提供一种适用于风力发电机组的高强螺栓连接结构的有限元建模方法的一个实施例，在某风力发电机组机型轮毂与主轴连接螺栓设计中采用该建模方法对螺栓连接结构进行了仿真计算及设计优化。优化前设计为52根10.9级M36的螺栓，优化后设计为48根10.9级M39螺栓，且螺栓自身极限、疲劳强度和螺栓连接的强度都能够满足设计要求。包括如下实施例：实施例一如图1至图3所示，高强螺栓4连接结构包括与高强螺栓等长的螺杆3及位于螺杆3一端的螺栓头1，螺杆3的另一端与夹紧体采用螺纹连接，高强螺栓连接结构的有限元建模方法包括如下步骤：1)对螺栓头1和夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模：将螺栓头1、夹紧体的螺纹孔位置进行切分和几何处理得到若干三维几何体，使其具备扫略生成均匀网格的条件；将三维几何体扫略生成均匀六面体网格；2)如图3所示，用三维梁单元简化模拟螺杆部分：将螺杆3部分简化成位于轴线位置且与高强螺栓等长的直线段,螺杆3部分包括螺纹杆31和光杆32，根据螺纹杆31、光杆32的特征将螺杆部分进行分段处理，螺栓头1及与其对应的部分螺杆33、夹紧体的螺纹孔及与其对应的部分螺杆在轴线方向的单元个数一致，梁单元能够真实反映螺杆截面所承受的轴力和弯矩；3)用梁单元连接实体单元与三维梁单元对应位置上的节点,包括:用梁单元连接螺纹杆31与夹紧体的螺纹孔位置单元节点，模拟螺纹连接关系，通过控制连接单元数量，模拟螺纹连接在轴线方向和圆周方向上的均匀性和连续性；用梁单元连接螺栓头位置的螺杆与螺栓头1的单元节点，通过控制连接单元在圆周方向的数量，模拟螺栓头接触面上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，所述高强螺栓连接结构包括与高强螺栓等长的螺杆及位于螺杆一端的螺栓头，所述螺杆的另一端与夹紧体采用螺纹连接，所述有限元建模方法包括如下步骤：1)对螺栓头和夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模：将所述螺栓头、夹紧体的螺纹孔位置进行切分和几何处理得到若干三维几何体，使其具备扫略生成均匀网格的条件；将所述三维几何体扫略生成均匀六面体网格；2)用三维梁单元简化模拟螺杆部分：将所述螺杆部分简化成位于轴线位置且与高强螺栓等长的直线段,所述螺杆部分包括螺纹杆和光杆，根据螺纹杆、光杆的特征将螺杆部分进行分段处理，所述螺栓头及与其对应的部分螺杆、夹紧体的螺纹孔及与其对应的部分螺杆在轴线方向的单元个数一致，所述梁单元能够真实反映螺杆截面所承受的轴力和弯矩；3)用梁单元连接所述螺纹杆与夹紧体的螺纹孔单元节点，模拟螺纹连接关系，通过控制连接单元数量，模拟螺纹连接在轴线方向和圆周方向上的均匀性和连续性；用梁单元连接所述螺栓头位置的螺杆与螺栓头单元节点，通过控制连接单元在圆周方向的数量，模拟螺栓头接触面上压力的均匀性。

【技术特征摘要】
1.一种高强螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，所述高强螺栓连接结构包括与高强螺栓等长的螺杆及位于螺杆一端的螺栓头，所述螺杆的另一端与夹紧体采用螺纹连接，所述有限元建模方法包括如下步骤：1)对螺栓头和夹紧体的螺纹孔位置进行三维实体建模：将所述螺栓头、夹紧体的螺纹孔位置进行切分和几何处理得到若干三维几何体，使其具备扫略生成均匀网格的条件；将所述三维几何体扫略生成均匀六面体网格；2)用三维梁单元简化模拟螺杆部分：将所述螺杆部分简化成位于轴线位置且与高强螺栓等长的直线段,所述螺杆部分包括螺纹杆和光杆，根据螺纹杆、光杆的特征将螺杆部分进行分段处理，所述螺栓头及与其对应的部分螺杆、夹紧体的螺纹孔及与其对应的部分螺杆在轴线方向的单元个数一致，所述梁单元能够真实反映螺杆截面所承受的轴力和弯矩；3)用梁单元连接所述螺纹杆与夹紧体的螺纹孔单元节点，模拟螺纹连接关系，通过控制连接单元数量，模拟螺纹连接在轴线方向和圆周方向上的均匀性和连续性；用梁单元连接所述螺栓头位置的螺杆与螺栓头单元节点，通过控制连接单元在圆周方向的数量，模拟螺栓头接触面上压力的均匀性。2.根据权利要求1所述的高强螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，所述螺杆的另一端采用螺母连接方式来替代与夹紧体的螺纹连接；对应地，夹紧体的螺纹孔位置替换为螺母。3.根据权利要求1所述的高强螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，所述与高强螺栓等长的螺杆替换为与高强螺栓等长的双头螺柱，所述位于螺杆一端的螺栓头替换为位于双头螺柱一...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚景春，袁凌，宁红超，潘磊，董健，李强，林明，张坤，
申请(专利权)人：国电联合动力技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11