一种航空发动机用收口自锁螺母有限元模型的精细建模方法技术

一种航空发动机用收口自锁螺母有限元模型的精细建模方法，属于有限元仿真技术领域，包括如下步骤：步骤1：确定椭圆渐变自锁螺母模型参数；步骤2：获得椭圆渐变自锁螺母的螺旋曲线生成数学表达式；步骤3：推导出椭圆渐变自锁螺母的螺纹生成数学表达式；步骤4：将椭圆渐变自锁螺母内表面离散化，确定出椭圆渐变自锁螺母的内表面节点坐标；步骤5：由已确定的自锁螺母内螺纹表面节点坐标和自锁螺母外表面，进行自锁收口区有限元离散节点线性插值分布，确定网格各节点坐标，从而可以得到自锁螺母的3D网格。该方法建模过程简单便捷，无需针对螺纹网格建模进行复杂的前处理工作。格建模进行复杂的前处理工作。格建模进行复杂的前处理工作。

【技术实现步骤摘要】
一种航空发动机用收口自锁螺母有限元模型的精细建模方法


[0001]本专利技术属于有限元仿真
，尤其涉及一种航空发动机用收口自锁螺母有限元模型的精细建模方法。

技术介绍

[0002]自锁螺母因其具有抗振防松、可重复使用等功能成为航空航天结构中应用最为广泛的连接件与紧固件。收口自锁螺母能够产生锁紧力矩，起到连接防松的作用。其自锁原理是椭圆形收口拧紧以后会发生塑性变形，产生回弹力，使得旋合螺纹相互压紧。国内外学者在收口自锁螺母领域进行了长期深入的研究和探索，但大多是在试验基础上研究自锁螺母的寿命问题，对其失效过程、防松性能衰退的机理研究甚少，并且缺少对收口自锁螺母精确建模的方法。建立一种收口自锁螺母有限元模型的精细建模方法，对收口自锁螺母自锁性能和机理的研究具体重要意义。
[0003]由于自锁螺母螺纹曲线的复杂性，采用常用有限元方法建立螺纹连接结构的精细有限元模型较为困难。采用四面体自由网格能够一定程度上解决自锁螺母螺纹网格划分的问题，但这样生成的网格往往具有一定随机性，并且容易产生畸变网格单元，影响数值模拟的准确性。

技术实现思路

[0004]鉴于现有技术的上述缺点、不足，本专利技术提供一种基于六面体单元的航空发动机用收口自锁螺母有限元精细建模方法，是基于六面体单元的自锁螺母螺纹网格建模，该方法建模过程简单便捷，无需针对螺纹网格建模进行复杂的前处理工作。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：
[0006]一种航空发动机用收口自锁螺母有限元模型的精细建模方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：将收口自锁螺母的椭圆自锁收口区变形为底部为正圆、顶部为椭圆的渐变环状柱体，确定椭圆渐变自锁螺母模型参数；
[0008]步骤2：获得椭圆渐变自锁螺母的螺旋曲线生成数学表达式；
[0009]步骤3：根据螺旋曲线推导出椭圆渐变自锁螺母的螺纹生成数学表达式；
[0010]步骤4：将椭圆渐变自锁螺母内表面离散化，确定出椭圆渐变自锁螺母的内表面节点坐标；
[0011]步骤5：由已确定的自锁螺母内螺纹表面节点坐标和自锁螺母外表面，进行自锁收口区有限元离散节点线性插值分布，确定网格各节点坐标，从而可以得到自锁螺母的3D网格；
[0012]步骤6：对椭圆自锁螺母进行建模与网格处理，得到椭圆自锁螺母网格模型。
[0013]进一步地，所述步骤1具体为：螺母采用标准规格的螺纹牙型，螺距为P，渐变环状柱体的外表面底部圆半径为顶部椭圆半长轴为顶部椭圆半短轴为渐变环状柱体的内表面底部正圆半径为顶部椭圆半长轴为顶部椭圆半短轴为自锁收口区
高为h0。
[0014]进一步地，所述步骤2具体为：
[0015]在直角坐标系下椭圆螺旋线数学表达式为
[0016][0017]式中x,y,z分别为直角坐标系下三个坐标，a,b分别为椭圆长半轴和短半轴，h为螺旋线上任意一点的高度，θ为参量表示从椭圆螺旋线起始点到任意位置所经过的角度；
[0018]椭圆的半长轴a表达式：
[0019][0020]同理,半短轴b的表达式为：
[0021][0022]r即底部内正圆半径由式(2)(3)定义的a、b代入(1)中得到椭圆自锁螺母的椭圆渐变螺旋线数学表达式为
[0023][0024]进一步地，所述步骤3具体为：假定在一个螺距P的高度内，θ从0线性增长至2π，则在圆柱坐标系下标准规格牙型的内螺纹截面中径向坐标r与θ的表达式如式为：
[0025][0026]式中：d为标准螺母的公称直径；d1为标准螺母所对应的螺栓小径；H为螺纹工作高
度，其数值为ρ
n
为牙型半径；θ1、θ2、θ3、θ4是用来划分螺纹截面形貌对应θ数值区间的参数，其计算方式如下式(6)
‑
(9)：
[0027][0028][0029][0030][0031]对于椭圆渐变自锁螺母而言，公称直径d为：
[0032][0033]在一个螺距P的高度内，θ从0线性增长至2π，得到采用标准规格牙型的椭圆自锁内螺纹截面中径向坐标r与周向坐标θ的表达式为：
[0034][0035]进一步地，所述步骤4具体为：设定螺母横截面与直接坐标系的xOy平行，直角坐标系的z轴正方向为螺母的周向，螺母的中心线与z轴重合，利用公式(11)生成距原点为h的一个螺距内螺纹截面的离散化坐标点，公式(11)圆柱坐标系下的公式，生成坐标点后需要将其按照公式(12)转化到直角坐标系下：
[0036][0037]得到螺母内表面节点坐标。
[0038]进一步地，所述步骤5具体为：将内表面节点与螺母外表面节点线性插值，确定螺母内部节点坐标，通过公式(11)计算内表面离散化的节点到螺母中心轴线的径向距离r，然后根据内表面离散节点的坐标通过公式(1)
‑
(3)计算出外表面节点到螺母中心轴线的径向距离r
t
，最后将r到r
t
间的距离等分成5分，并计算其几点坐标。
[0039]进一步地，所述步骤6具体为：使用Hypermesh软件按步骤1
‑
5的参数对椭圆自锁螺母建模并进行划分网格。
[0040]本专利技术的有益效果是：本专利技术提供一种基于六面体单元的航空发动机用收口自锁螺母有限元精细建模方法，该方法建模过程简单便捷，无需针对螺纹网格进行复杂的前处理工作。基于本专利技术建立的有限元模型可以达提高收口自锁螺母的仿真精度，对自锁螺母自锁机理研究给予基础支持，进而对改善自锁螺母工作性能有很大的帮助。
附图说明
[0041]图1为航空发动机用椭圆收口自锁螺母几何模型；
[0042]图2为变形后的椭圆渐变自锁螺母几何模型；
[0043]图3为变形后的椭圆渐变自锁螺母渐变区几个示意图；
[0044]图4为变形后的椭圆渐变自锁螺母的螺旋曲线示意图；
[0045]图5为标准规格螺母沿螺母中心轴线的内螺纹截面牙型线；
[0046]图6为改变坐标的自锁螺母内层单螺距离散节点；
[0047]图7为螺母内部节点线性插值示意图；
[0048]图8为实施例1中采用Hypermesh创建圆心示意图；
[0049]图9为实施例1中采用Hypermesh创建line示意图；
[0050]图10为实施例1中采用Hypermesh创建顶部椭圆示意图；
[0051]图11为实施例1中采用Hypermesh创建surf示意图；
[0052]图12为实施例1中采用Hypermesh添加point示意图；
[0053]图13为实施例1中采用Hypermesh添加node示意图；
[0054]图14为实施例1中采用Hypermesh划分surf示意图；
[0055]图15为实施例1中采用Hypermesh生成面网格示意图；
[0056]图16为实施例1中在Hypermesh中生成体网格示意本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机用收口自锁螺母有限元模型的精细建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将收口自锁螺母的椭圆自锁收口区变形为底部为正圆、顶部为椭圆的渐变环状柱体，确定椭圆渐变自锁螺母模型参数；步骤2：获得椭圆渐变自锁螺母的螺旋曲线生成数学表达式；步骤3：根据螺旋曲线推导出椭圆渐变自锁螺母的螺纹生成数学表达式；步骤4：将椭圆渐变自锁螺母内表面离散化，确定出椭圆渐变自锁螺母的内表面节点坐标；步骤5：由已确定的自锁螺母内螺纹表面节点坐标和自锁螺母外表面，进行自锁收口区有限元离散节点线性插值分布，确定网格各节点坐标，从而可以得到自锁螺母的3D网格；步骤6：对椭圆自锁螺母进行建模与网格处理，得到椭圆自锁螺母网格模型。2.如权利要求1所述的一种航空发动机用收口自锁螺母有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述步骤1具体为：螺母采用标准规格的螺纹牙型，螺距为P，渐变环状柱体的外表面底部圆半径为顶部椭圆半长轴为顶部椭圆半短轴为渐变环状柱体的内表面底部正圆半径为顶部椭圆半长轴为顶部椭圆半短轴为自锁收口区高为h0。3.如权利要求1所述的一种航空发动机用收口自锁螺母有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述步骤2具体为：在直角坐标系下椭圆螺旋线数学表达式为式中x,y,z分别为直角坐标系下三个坐标，a,b分别为椭圆长半轴和短半轴，h为螺旋线上任意一点的高度，θ为参量表示从椭圆螺旋线起始点到任意位置所经过的角度；椭圆的半长轴a表达式：同理,半短轴b的表达式为：r即底部内正圆半径由式(2)(3)定义的a、b代入(1)中得到椭圆自锁螺母的椭圆渐变螺旋线数学表达式为
4.如权利要求1所述的一种航空发动机用收口自锁螺母有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述步骤3具体为：假定在一个螺距P的高度内，θ从0线性增长至2π，则在圆柱坐标系下标准规格牙型的内螺纹截...

【专利技术属性】
技术研发人员：田晶，高崇，艾延廷，关焦月，刘玉，姚玉东，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：