一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法技术

本发明专利技术公开了一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，包括以下步骤：1)输入参数确定：确定几何尺寸和材料参数，确定装配工艺参数；2)螺栓的弹性顺度计算；3)每个螺栓位置被连接件的弹性顺度计算：分析结构微元，建立三向力和三向力矩平衡方程，建立微分方程组，计算被连接件弹性顺度；4)螺栓群拧紧过程中的变形协调方程建立；5)单个螺栓的连接载荷计算；6)通过重复步骤4)和5)，计算每个拧紧步下每个螺栓的连接载荷。本发明专利技术可以实现刚柔接触大挠度盘形类结构在工程现场不同连接工艺下螺栓群载荷的快速准确计算，也可为该类结构螺栓群连接工艺参数的优化设计奠定理论基础。

An Accurate Load Prediction Method for Bolt Group of Rigid-Flexible Contact Large Deflection Disc Structures

【技术实现步骤摘要】
一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法
本专利技术属于智能制造领域，涉及一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法。
技术介绍
刚柔接触大挠度盘形结构，如非金属垫片螺栓法兰密封结构，被广泛应用于石油、化工、核电和航空航天等领域的密封场合之中。该类结构主要通过螺栓群进行连接装配，各个螺栓连接载荷的水平和一致性直接决定着结构密封性能的有效性。然而，在实际装配过程中，由于材料弹性交互作用效应的存在，该类刚柔接触结构的螺栓群连接载荷水平往往难以准确控制，离散度有时高达90％以上。因此，准确预测刚柔接触大挠度盘形类结构螺栓群连接载荷，进而为工程技术人员连接工艺改进提供基础数据，是保障该类结构密封性能的关键所在。近年来，为了准确预测盘形类结构螺栓群连接载荷，各国学者和技术人员开展了大量研究工作，且主要集中于试验测试和有限元仿真模拟两个方面。然而，一方面受限于结构和成本，试验测试和数值仿真方法往往适用于典型对象和个案研究，无法在工程实际中应用推广；另一方面由于试验测试和数值仿真难以实现迭代寻优计算，无法为后续装配连接工艺参数的最优设计提供基础平台。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，该方法通过系统分析螺栓群装配过程中被连接件的变形特点，构建材料弹性交互作用数学模型，可实现该类结构在工程现场不同连接工艺下螺栓群载荷的快速准确计算，也可为该类结构螺栓群连接工艺参数的优化设计奠定理论基础。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，包括以下步骤：步骤1：确定输入参数；步骤2：计算螺栓的弹性顺度；步骤3：计算每个螺栓位置被连接件的弹性顺度；步骤4：建立螺栓群拧紧过程中的变形协调方程；步骤5：计算单个螺栓的连接载荷；步骤6：重复步骤4和步骤5，计算每个拧紧步下每个螺栓的连接载荷。本专利技术进一步的改进在于：步骤1的具体方法如下：步骤1-1：确定几何尺寸和材料参数：确定被连接件、螺栓的几何尺寸和材料属性参数；步骤1-2：确定装配工艺参数：确定螺栓数目、拧紧顺序、拧紧批次和各批次目标预紧力。步骤2的具体方法如下：螺栓的弹性顺度为：其中，Le为螺栓有效长度，单位mm；Ab为螺栓法向横截面积Ab＝πd2/4，单位mm2；d为螺栓公称直径，单位mm；Eb为螺栓材料弹性模量，单位MPa。步骤3的具体方法如下：步骤3-1：选取盘形结构微元作为分析模型，对其进行受力分析；步骤3-2：建立该微元上三向力的平衡方程和三向力矩平衡方程；步骤3-3：将微元所受弯矩Mn和扭转弯矩Mt代入三向力平衡方程和三向力矩平衡方程，得到方程组：其中，y1＝υ为柔性被连接件轴向位移，单位mm；y2＝β为盘形被连接件弯曲角度，单位rad；y3＝θ为盘形被连接件扭转角度，单位rad；y4＝Vb为剪切力，单位N；y5＝Mn为微元所受弯矩，单位Nmm；y6＝Mt为微元所受扭矩，单位Nmm；Kg为柔性被连接件刚度，单位N/mm；D0为盘形被连接件质心位置直径，单位mm；R为盘形被连接件质心位置半径，单位mm；G为柔性被连接件反作用力位置直径，单位mm；Gf为盘形被连接件剪切模量，单位MPa；Mf为盘形被连接件承受弯矩，单位Nmm；Pb为微元承受载荷，单位N；J为截面惯性矩，单位mm4；利用上式计算螺栓加载位置对应的柔性被连接件轴向位移υ和相应位置的盘形被连接件扭转角度θ；步骤3-4：当螺栓j施加预紧力Fb后，螺栓i处盘形刚柔被连接件合成弹性顺度为：其中，υi为螺栓i位置的柔性被连接件中径轴向位移，单位mm；θi为相应位置的盘形被连接件转角，单位rad；kf为盘形被连接件环面刚度，单位N/mm；盘形被连接件环面刚度kf为：其中：Ef为盘形被连接件材料弹性模量，单位MPa。步骤4的具体方法如下：拧紧m批次后螺栓群变形协调方程为：其中，Ci,j和在矩阵中的位置均由螺栓拧紧顺序确定；矩阵中下标j代表拧紧螺栓编号，上标m代表拧紧批次；如果在第m批次拧紧过程中，每个螺栓目标预紧力为螺栓j被预紧到后，其夹紧力增量为则，当j＝1时，而当j>1时，步骤5的具体方法如下：螺栓j在m批次预紧后，螺栓i上的夹紧力为：其中，为在螺栓第m批次拧紧过程中，预紧螺栓j到前螺栓i上的夹紧力，单位N；当j>1时，k＝j-1且m'＝m；当j＝1时，k＝n而m'＝m-1。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：与传统试验测试和数值仿真方法相比，运用本专利技术能够快速、准确计算刚柔接触大挠度盘形类结构螺栓群在不同装配工艺下最终连接载荷的分布，成本低、耗时小，且易于工程现场推广应用，可为工程技术人员预测装配连接性能提供数据参考，也可为该类结构螺栓群连接工艺参数的优化设计奠定理论基础，同时也为重大机械装备的智能化水平提升提供使能技术。【附图说明】图1为本专利技术的螺栓群载荷计算流程图；图2为本专利技术的两种装配策略示意图；其中，(a)为十字交叉法，(b)为顺时针法；图3为十字交叉装配顺序下NPS4带颈对焊法兰连接螺栓预紧力预测结果与有限元仿真分析结果对比图；图4为顺时针装配顺序下NPS4带颈对焊法兰连接螺栓预紧力预测结果与有限元仿真分析结果对比图。【具体实施方式】为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本专利技术公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本专利技术公开的概念。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：参见图1，本专利技术刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，具体步骤如下：1)确定输入参数，具体包含如下步骤：1-1)确定几何尺寸和材料参数：确定被连接件、螺栓的几何尺寸和材料属性参数；1-2)确定装配工艺参数：确定螺栓数目、拧紧顺序、拧紧批次和各批次目标预紧力。2)计算螺栓的弹性顺度，包含如下步骤：螺栓的弹性顺度为：式中，Le为螺栓有效长度/mm；Ab＝πd2/4为螺栓法向横截面积/mm2；d为螺栓公称直径/mm；Eb为螺栓材料弹性模量/MPa。3)计算每个螺栓位置被连接件的弹性顺度，具体包含如下步骤：2-1)选取盘形结构微元作为分析模型，对其进行受力分析；2-2)建立该微元上三向力的平衡方程和三向力矩平衡方程；2-3)将微元所受弯矩Mn和扭转弯矩Mt代入三向力平衡方程和三向力矩平衡方程，得到方程组：式中，y1＝υ为柔性被连接件轴向位移/mm；y2＝β为盘形被连接件弯曲角度/rad；y3＝θ为盘形被连接件扭转角度/rad；y4＝Vb为剪切力/N；y5＝Mn为微元所受弯矩/Nmm；y6＝Mt为微元所受扭矩/Nmm；Kg为柔性被连接件刚度/N/mm；D0为盘形被连接件质心位置直径/mm；R为盘形被连接件质心位置半径/mm；G为柔性被连接件反作用力位置直径/mm；Gf为盘形被连接件剪切模量/MPa；Mf为盘形被连接件承受弯矩/Nmm；Pb为微元承受载荷/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定输入参数；步骤2：计算螺栓的弹性顺度；步骤3：计算每个螺栓位置被连接件的弹性顺度；步骤4：建立螺栓群拧紧过程中的变形协调方程；步骤5：计算单个螺栓的连接载荷；步骤6：重复步骤4和步骤5，计算每个拧紧步下每个螺栓的连接载荷。

【技术特征摘要】
1.一种刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定输入参数；步骤2：计算螺栓的弹性顺度；步骤3：计算每个螺栓位置被连接件的弹性顺度；步骤4：建立螺栓群拧紧过程中的变形协调方程；步骤5：计算单个螺栓的连接载荷；步骤6：重复步骤4和步骤5，计算每个拧紧步下每个螺栓的连接载荷。2.根据权利要求1所述的刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，其特征在于，步骤1的具体方法如下：步骤1-1：确定几何尺寸和材料参数：确定被连接件、螺栓的几何尺寸和材料属性参数；步骤1-2：确定装配工艺参数：确定螺栓数目、拧紧顺序、拧紧批次和各批次目标预紧力。3.根据权利要求1所述的刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，其特征在于，步骤2的具体方法如下：螺栓的弹性顺度为：其中，Le为螺栓有效长度，单位mm；Ab为螺栓法向横截面积Ab＝πd2/4，单位mm2；d为螺栓公称直径，单位mm；Eb为螺栓材料弹性模量，单位MPa。4.根据权利要求1所述的刚柔接触大挠度盘形结构螺栓群载荷准确预测方法，其特征在于，步骤3的具体方法如下：步骤3-1：选取盘形结构微元作为分析模型，对其进行受力分析；步骤3-2：建立该微元上三向力的平衡方程和三向力矩平衡方程；步骤3-3：将微元所受弯矩Mn和扭转弯矩Mt代入三向力平衡方程和三向力矩平衡方程，得到方程组：其中，y1＝υ为柔性被连接件轴向位移，单位mm；y2＝β为盘形被连接件弯曲角度，单位rad；y3＝θ为盘形被连接件扭转角度，单位rad；y4＝Vb为剪切力，单位N；y5＝Mn为微元所受弯矩，单位Nmm；y6＝Mt为...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱林波，乌尼尔，洪军，朱永生，张培源，石振明，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61