基于精确数字孪生的封闭框架类结构螺纹连接参数优化方法技术

本发明专利技术涉及螺纹连接参数优化领域内的一种基于精确数字孪生的封闭框架类结构螺纹连接参数优化方法。该方法通过考虑实测扭矩系数计算得到的紧固力、加工误差、装配误差建立了精确数字孪生模型；基于模型依次计算和判定关键尺寸是否在要求公差的

【技术实现步骤摘要】
基于精确数字孪生的封闭框架类结构螺纹连接参数优化方法


[0001]本专利技术涉及螺纹连接参数优化领域，具体的，涉及基于精确数字孪生的封闭框架类结构螺纹连接参数优化方法。

技术介绍

[0002]封闭框架类结构是精密机电产品中常见的一类结构，其功能主要是将机械、电子模块通过螺纹连接的方式装配到封闭框架中，并与外部结构进行连接。由于其封闭的结构特点，在与内部间隙配合的模块进行多方向螺纹连接之后，其薄壁框架发生轻微变形。这样的变形使得带有内部模块的封闭框架与外部结构连接时关键孔无法对准，难以装配。而优化螺纹紧固力是控制其变形，从而保证关键尺寸能够符合设计要求的主要方法。本专利技术专利针对封闭框架类结构提出了一种基于精确数字孪生的螺纹连接参数优化方法。该方法能够优化螺纹连接参数，保证装配后关键尺寸能够满足工程需求，同时避免螺纹紧固力在后续服役环境中发生明显松弛。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中没有考虑加工误差、装配误差、螺纹扭矩系数误差和螺纹应力非线性松弛等的封闭框架类结构螺纹连接参数的优化方法，本专利技术提供了一种基于精确数字孪生的封闭框架类结构螺纹连接参数优化方法。
[0004]本专利技术提供的基于精确数字孪生的封闭框架类结构螺纹连接参数优化方法通过以下步骤实现：
[0005]步骤一：对封闭框架类结构所用螺钉进行采样，精确测量所采集样本的扭矩系数，分析样本的分布状态，即计算平均值和标准差；所述扭矩系数是通过采集螺钉拧紧过程中的紧固力和扭矩计算得到的；
[0006]步骤二：依据所计算的扭矩系数平均值，计算螺钉紧固力；
[0007]步骤三：对于单个封闭框架类结构的计算，测量加工误差引起的螺纹孔位置、装配面形状和位置误差；对于大批量封闭框架类结构的计算，依据设计公差，计算装配面之间的最大间距、螺纹孔的最大位置误差；
[0008]步骤四：根据封闭框架类结构螺纹连接顺序，计算结构螺纹连接面之间的间隙；
[0009]步骤五：对于单个封闭框架类结构的计算，依据实测加工误差数据，建立结构的几何数字孪生模型；对于大批量封闭框架类结构的计算，依据设计公差，建立装配面间距最大、螺纹孔位置误差最大情况下的几何数字孪生模型；根据螺钉连接顺序引起的连接面的初始间隙，装配零件三维几何模型。将实测扭矩系数计算得到的紧固力添加到装配得到的几何数字孪生模型，并且添加材料参数、结构特性、环境参数以及其他边界条件，得到精确数字孪生模型；
[0010]步骤六：应用精确数字孪生模型，计算孔间距、孔位置、面间距等关键尺寸的变化；
[0011]步骤七：判定计算得到的尺寸是否在要求公差的
±
3σ范围内；
[0012]步骤八：如果不在范围内，则调整紧固力，重新计算；如果在判定范围内，进一步计算螺纹连接面的最大应力；
[0013]步骤九：为避免螺纹紧固后发生应力松弛，判定螺纹连接面应力是否小于屈服应力的60％；
[0014]步骤十：如果大于等于屈服应力的60％，则调整紧固力；如果小于屈服应力的60％，则输出优化的紧固力及其扭矩。
[0015]进一步的，步骤五所述的结构特性包含螺纹应力松弛特性，即螺纹应力在温度、振动等外界条件的作用下随时间发生变化的特性，以参数或模型的形式表征。所述螺纹应力松弛特性通过实验测量的方式得到。
[0016]进一步的，所述要求公差的
±
3σ范围中的σ是正态分布参数，即标准差。所述尺寸在要求公差的
±
3σ范围的概率为99.74％。计算得到的尺寸在
±
3σ范围表明99.74％的模型是符合公差要求。所述标准差σ是通过前期的采样测量和计算得到的。
[0017]进一步的，所述螺纹连接面包括螺钉螺帽下表面、螺钉螺纹面、被连接件与螺钉直接接触的平面和螺纹面；
[0018]进一步的，所述螺纹连接面应力大于屈服应力的60％时，会发生快速应力松弛，紧固力下降。
[0019]与现有技术相比，本专利技术有如下的有益效果：
[0020]1.本专利技术采用实测扭矩系数计算了紧固力，与现有方法中使用手册扭矩系数相比，其建模和计算精度更高，基于这样精确的数据建立的数字孪生模型更精确地表征实际模型。因此，基于这样地模型优化得到的连接参数是能够控制关键尺寸在目标范围内的。
[0021]2.本专利技术在建立精确数字孪生模型时考虑了螺纹应力在温度、振动等外界条件的作用下发生应力松弛的特性。模型计算结果能够精确表征螺纹应力松弛引起的紧固力随时间的变化。
[0022]3.本专利技术所提出的方法不仅控制了几何尺寸，同时也将螺纹紧固后应力控制在屈服应力的60％以下。这样的能够保证紧固力不发生明显松弛。
附图说明
[0023]图1为本专利技术基于精确数字孪生的封闭框架类结构螺纹连接参数优化方法具体流程图；
[0024]图2为本专利技术实施例封闭框架类结构横截面图；
具体实施方式
[0025]下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。
[0026]实施例
[0027]图2是本专利技术提供的封闭框架类结构实施例的横截面图。图2中内部模块203通过螺钉201连接到封闭框架202上。封闭框架202与内部模块203的连接部位分别是
①
、
②
、
③
、
④
四个方向上。封闭框架202与内部模块203之间存在间隙，因此在螺钉203从
①
、
②
、
③
、
④
四个方向拧紧之后，封闭框架202会发生变形。此时，封闭框架202上的其他孔的间距会发生变化。如果这些孔的变形超出设计要求，那么装配好的封闭框架将无法进行下一步的装配。因此，要提出一个针对该封闭框架螺纹紧固力的优化方法。
[0028]首先，对连接封闭框架202和内部模块203的螺钉201进行扭矩系数的测量。同一批螺钉201的扭矩系数是相近的，但存在一致性误差。从同一批螺钉中随机选取100个螺钉进行扭矩系数的测量。扭矩系数的测量是通过扭矩系数测量机实现的。扭矩系数测量机是通过测量扭矩和紧固力间接计算扭矩系数的。测量计算得到该批螺钉的扭矩系数之后，进行统计分析。计算该批螺钉的平均扭矩系数以及对应的标准差。
[0029]其次是测量封闭框架的加工误差。该实施例是对一批零件的连接参数进行优化，因此对每一个零件进行加工误差测量是难以实现的。因此，在本实施例中根据设计公差，计算封闭框架202与内部模块203之间在
①
、
②
、
③
、
④
四个方向上的最大间距d。基于该数据d，建立内部模块203和封闭框架202的三维几何模型。
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于精确数字孪生的封闭框架类结构螺纹连接参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：对封闭框架类结构所用螺钉进行采样，精确测量所采集样本的扭矩系数，分析样本的分布状态，即计算平均值和标准差；步骤二：依据所计算的扭矩系数平均值，计算螺钉紧固力；步骤三：对于单个封闭框架类结构的计算，测量加工误差引起的螺纹孔位置、装配面形状和位置误差；对于大批量封闭框架类结构的计算，依据设计公差，计算装配面之间的最大间距、螺纹孔的最大位置误差；步骤四：根据封闭框架类结构螺纹连接顺序，计算结构螺纹连接面之间的间隙；步骤五：对于单个封闭框架类结构的计算，依据实测加工误差数据，建立结构的几何数字孪生模型；对于大批量封闭框架类结构的计算，依据设计公差，建立装配面间距最大、螺纹孔位置误差最大情况下的几何数字孪生模型；根据螺钉连接顺序引起的连接面的初始间隙，装配零件三维几何模型。将实测扭矩系数计算得到的紧固力添加到装配得到的几何数字孪生模型，并且添加材料参数、结构特性、环境参数以及其他边界条件，得到精确数字孪生模型；步骤六：应用精确数字孪生模型，计算孔间距、孔位置、面间距等关键尺寸的变化；步骤七：判定计算得到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张之敬，萨仁其木格，肖木峥，陈祥臻，夏海洋，姚德，刘宗鑫，谢文舟，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：