一种有限元优化螺栓预紧力及螺栓结构设计的方法技术

本发明专利技术涉及一种有限元优化螺栓预紧力及螺栓结构设计的方法，根据该方法使用二维FEA的改进模型和方法适用于各种不同的螺栓结构建模。考虑螺纹联接中复杂的接触、摩擦、预紧等各种非线性因素，本发明专利技术的平面FEA改进模型保证了计算精度条件下对三维螺旋螺纹结构的有效简化。即通过输入元件参数和材料属性，综合非线性因素关系，分步加载预紧力和外力；根据螺纹区域的应力状态，定义了最大应力随外力的变化曲线和螺纹内最大应力随预紧力的变化曲线；并以接触面是否分离为判定准则，来确定螺纹联接的最佳预紧力。根据螺栓结构最大承载外力及所需预紧力要求，计算出螺栓结构的优化设计和最佳参数值。本发明专利技术亦适用于矩形或其他非标准螺纹螺栓结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及利用有限元技术对螺栓结构进行分析和设计，是。
技术介绍
有限元法被称为矩阵近似方法，是用现代数学和计算机技术结合的方法对真实物理系统(包括几何和载荷工况但不仅仅于此)进行模拟，其本质是采用微积分的方法对离散方程进行求解。有限元分析(FEA)的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。近年来，有限元法的应用范围有了大幅度的 提高，已由简单弹性力学的平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力问题扩展到稳定性问题、动力学问题和波动问题；分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性和复合材料，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等连续介质力学领域。有限元技术在航空、机械、汽车、桥梁等各行业越来越受到重视，采用有限元法，不仅能减轻结构自重、优化零件形状、降低材料消耗、提高产品质量和性能，而且能大大缩短产品设计周期，减少试件的制作、降低成本等。在进行有限元分析时，常常需要正确的模拟两个部件之间联接关系。而螺栓联接是工程结构中应用最广泛的一种联接方式。螺栓联接以其构造简单、生产和安装方便在现代工业中被广泛应用，它即是传统、简单的联接工具，又是现代机器设备中起关键作用的部件。特别是高强度螺栓联接具有耐疲劳、承载大、可拆换、联接刚度好等优点，常被用于机器的重要部位。螺栓联接在多数实际应用中，依靠螺栓、螺母和被联接件结合面之间的摩擦力传递横向力，因此不允许在接合面间产生缝隙，即接合面之间在外载作用下要保证一定的残余预紧力。残余预紧力与接头材料、结构和初始预紧力有关，初始预紧力是影响螺栓结构安全工作的一个重要因素。螺栓预紧力就是在拧螺栓过程中，由于拧紧力矩作用而在螺栓与被联接件之间产生的，沿螺栓轴心线方向的预紧力。对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力有关。螺纹联接件的预紧力是为了保证螺纹联结件在工作中不分离，同时保证强度和使用寿命要求。加大预紧力可以保证联结件紧密度。但是，不能让联结件在预紧过程中损坏；同时，也要预防联结件在使用过程中损坏；也就是说，不能影响使用寿命。标准螺纹联接的预紧力大小可以从一些工程设计手册中查到。然而，这些数据大多基于传统的解析方法和试验，缺乏对螺纹联接内部应力状态的了解，尤其是无法确定螺纹根部应力集中区域的最大应力，因此，无法对螺纹联接中的预紧力进行比较精确优化设计。寻找一种优化螺栓预紧力的有效方法，确保螺栓结构具有合适的初始预紧力，既是其能安全工作的保证，也是对包含螺栓联接结构，进行动力学响应分析正确与否的关键。现有技术中利用此类有限元分析螺栓预紧力的方法和系统，如中国专利文献中披露的申请号200910165817. 3，公开日2010年3月31日，专利技术名称“有限元分析中初始化螺栓预紧力的改进方法和系统”;该方法使用FEA模型中的梁单元为每个螺栓建模。为了将期望的预紧力施加给一个或多个螺栓，规定了至少一条预紧力对比时间曲线，每条预紧力对比时间曲线包括斜坡部分、期望预紧力部分、以及可选的卸载部分。斜坡部分从零开始，以完全线性的方式达到期望的预紧力，因此被配置用于以较小的增量将期望的预紧力逐渐应用于螺栓。期望预紧力部分被配置用于确保期望的预紧力在初始化的过程中(一系列的准静态分析)被实际施加到梁单元上。由于该方法不受梁的变形的影响，因此该方法未涉及需要重复确定轴向应力应变以得到预紧力的方法。由于上述方法和系统没有对最佳预紧力的计算，较难实现螺栓结构的优化，以及用于螺栓结构的设计。
技术实现思路
为克服上述不足，本专利技术的目的是向本领域提供，使其解决现有有限元优化螺栓预紧力不便和较难用于螺栓结构优化设计的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现。 一种有限元优化螺栓预紧力的方法，该方法主要通过计算机内有限元软件建立的螺栓联接结构有限元分析模型，对螺栓结构的预紧力进行优化和动力学响应分析；其特征在于该方法主要包括以下步骤 1)、通过所述有限元软件，输入所述螺栓结构中元件的参数和材料属性，综合所述螺栓结构的非线性因素关系，建立二维及二维对称的所述螺栓联接结构有限元分析模型； 2)、所述螺栓联接结构有限元分析模型中，通过分步施加预紧力至最大值，考察所述螺栓结构的螺纹内部应力随预紧力的变化规律，得到最大应力随预紧力变化曲线L ； 3)、所述螺栓联接结构有限元分析模型中，通过分步施加外力至最大值，考察所述螺栓结构的螺纹内部应力随外力的变化规律，得到最大应力随外力变化曲线K ； 4)、所述螺栓结构有限元分析模型在所述螺栓结构的螺纹内部预紧力下应力小幅增大的变化曲线L，逐步接近最大应力随外力变化曲线K时，所述螺栓结构的螺纹内部应力趋向重合；所述螺栓联接结构有限元分析模型通过逐步施加外力F和预紧力Pn的循环计算中自动求解出最佳合力点Kp，该点的应力对应了所述螺栓结构的最大有效预紧力和对应的最大工作外力的合力值；则表明所述螺栓结构的接触面处于接近分离的未分离状态，此时的预紧力为最佳值。上述有限元优化螺栓预紧力的方法步骤中，所述螺栓结构的元件包括螺母、螺栓、被联接件，所述螺栓结构中元件的参数和材料属性包括弹性模量、泊松比、屈服极限、强度极限、延伸率，所述螺栓联接结构的非线性因素包括接触、摩擦、预紧因素，所述螺栓联接结构有限元分析模型包括螺母与螺纹之间、螺母与被联接件之间非线性摩擦接触对的建立；上述所述螺栓结构中元件的参数和材料属性、所述螺栓联接结构的非线性因素、所述螺栓联接结构有限元分析模型包括但不仅限于上述内容，还包括本领域技术人员显而易见的
技术实现思路
。所述螺栓联接结构有限元分析模型为可变参数轴对称的智能二维及二维对称模型，所述螺栓联接结构有限元分析模型创建至少一条线弹性和非线性交叉的力学曲线。所述螺栓联接结构有限元分析模型创建一个可重置的系统，由这个系统分步实施载荷步长的外力F，对结构进行准静态分析。亦或，所述螺栓联接结构有限元分析模型创建一个可重置的系统，由这个系统分步实施载荷步长的预紧力Pn，对结构进行准静态分析。上述两者同时或单独创建。同时，根据上述有限元优化螺栓预紧力的方法，以所述螺栓参数化结构为基点，根据螺栓结构的最大承载外力要求，反向计算出所述螺栓结构达到所需预紧力要求时，所述螺栓结构中元件材料属性的最佳参数值和最优化结构设计。其螺栓结构设计的方法具体如下该方法主要通过计算机内有限元软件建立的螺栓联接结构有限元分析模型，对螺栓结构的预紧力进行优化、动力学响应分析和对螺栓结构的优化设计。其设计要点是该方法主要包括以下步骤 1)、通过所述有限元软件，输入所述螺栓结构中元件的参数和材料属性，综合所述螺栓结构的非线性因素关系，建立二维及二维对称的螺栓联接结构有限元分析模型； 2)、所述螺栓联接结构有限元分析模型中施加初始外力Ftl，通过分步施加外力至实际最大工作外力值，考察所述螺栓结构的螺纹内部应力随外力的变化规律，得到最大应力随 外力变化曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有限元优化螺栓预紧力的方法，该方法主要通过计算机内有限元软件建立的螺栓联接结构有限元分析模型，对螺栓结构的预紧力进行优化和动力学响应分析；其特征在于该方法主要包括以下步骤：1）、通过所述有限元软件，输入所述螺栓结构中元件的参数和材料属性，综合所述螺栓结构的非线性因素关系，建立二维及二维对称的所述螺栓联接结构有限元分析模型；2）、所述螺栓联接结构有限元分析模型中，通过分步施加预紧力至最大值，考察所述螺栓结构的螺纹内部应力随预紧力的变化规律，得到最大应力随预紧力变化曲线L；3）、所述螺栓联接结构有限元分析模型中，通过分步施加外力至最大值，考察所述螺栓结构的螺纹内部应力随外力的变化规律，得到最大应力随外力变化曲线K；4）、所述螺栓结构有限元分析模型在所述螺栓结构的螺纹内部预紧力下应力小幅增大的变化曲线L，逐步接近最大应力随外力变化曲线K时，所述螺栓结构的螺纹内部应力趋向重合；所述螺栓联接结构有限元分析模型通过逐步施加外力F和预紧力Pn的循环计算中自动求解出最佳合力点Kp，该点的应力对应了所述螺栓结构的最大有效预紧力和对应的最大工作外力的合力值；则表明所述螺栓结构的接触面处于接近分离的未分离状态，此时的预紧力为最佳值。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：章伊华，侯培海，
申请(专利权)人：章伊华，
类型：发明
国别省市：