[發(fā)明專利]有限元分析中初始化螺栓預(yù)緊力的改進(jìn)方法和系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910165817.3
• 申請日: 2009-07-31
• 公開（公告）號: CN101685474A
• 公開（公告）日: 2010-03-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 約翰O·霍爾奎斯特
• 申請（專利權(quán)）人: 利弗莫爾軟件技術(shù)公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 深圳市順天達(dá)專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 郭偉剛;李 琴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計算機(jī)輔助工程分析中使用的方法、系統(tǒng)和軟件產(chǎn)品，更具體 地說，涉及一種有限元分析中初始化獨立于軸向應(yīng)變的螺栓預(yù)緊力 (pretension)的方法，所述有限元分析用于對其中包括有螺栓連接的結(jié)構(gòu)的 結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行模擬。

背景技術(shù)

有限元分析(FEA)是一種計算機(jī)實現(xiàn)的方法，在工業(yè)中被廣泛用于建模 和解決與復(fù)雜系統(tǒng)相關(guān)的工程問題，例如三維非線性結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析。FEA 的名字來自以下事實：被考察的物體的幾何形狀是特定的。隨著現(xiàn)代數(shù)字計算 機(jī)的出現(xiàn)，F(xiàn)EA已經(jīng)作為FEA軟件被實施?；旧希現(xiàn)EA軟件設(shè)有幾何形狀 描述的模型、以及在模型內(nèi)的每個點處的相關(guān)材料特性。在這個模型中，被分 析系統(tǒng)的幾何形狀由不同尺寸的實體(solid)、殼(shell)和梁(beam)來表 示，這些實體、殼和梁被成為單元。各單元的頂點被稱為節(jié)點(node)。該模 型包括有限數(shù)量的單元，這些單元被賦予與材料特性相關(guān)的材料名。因此該模 型代表了被分析物體及其即刻環(huán)境(immediate?surrounding)所占據(jù)的物理空 間。然后，F(xiàn)EA軟件涉及一個表格，每種材料類型的特性被列在該表格中(例 如，應(yīng)力-應(yīng)變構(gòu)成等式、楊氏模量、泊松比、導(dǎo)熱性)。另外，指定了物體的 邊界條件(也就是，負(fù)荷、物理約束等)。用這種方式生成物體及其環(huán)境的模 型。

FEA越來越受到汽車制造廠商的歡迎，用于優(yōu)化汽車的空氣動力學(xué)性能 和結(jié)構(gòu)整體性。同樣地，飛機(jī)制造廠商依靠FEA在第一個原型被研發(fā)出來之 前很久就能預(yù)知飛機(jī)的性能。受歡迎的FEA任務(wù)之一是模擬碰撞事件，例如 汽車或卡車的防撞性。與防撞性模擬有關(guān)的一個問題是正確地模擬兩個部件 (尤其是卡車中的兩個部件)之間的螺栓接合或者連接。

螺栓連接的一般目的是將兩個或多個部件夾緊在一起。夾持力通過向螺栓 頭和螺帽施加扭矩來實現(xiàn)；扳手和螺紋的機(jī)械優(yōu)點使得能夠拉伸螺栓頭和螺帽 之間的螺栓部分(也就是被稱為緊固部(grip))，這在螺栓中產(chǎn)生了拉力。該 拉力被稱為預(yù)緊力，因為在任何其它的力被施加到螺栓連接之前，它就存在了。 預(yù)緊力通過螺栓頭、螺帽和可能出現(xiàn)的任何墊片傳遞到相配合的部件。它將相 互配合的部件擠壓在一起，并且如果螺栓連接被合適設(shè)計、組裝和維護(hù)，它可 防止相互配合的部件在正常的負(fù)荷下分開或者滑動。

預(yù)緊力需要被實際地模擬，從而在有限元分析中對螺栓接合或者連接正確 地進(jìn)行模擬。許多現(xiàn)有技術(shù)中的方法不僅在FEA模型的生成中、而且在其實 際模擬中對用戶來說都是麻煩和/或單調(diào)乏味的。在一個例子中，現(xiàn)有技術(shù)中 的方法要求用戶指定每個螺栓都具有預(yù)定的軸向拉伸。這可以通過許多方法來 實現(xiàn)，例如，包括使用熱梯度來產(chǎn)生拉伸，或者僅僅設(shè)置與預(yù)定的拉伸對應(yīng)的 軸向應(yīng)力值。由于典型的FEA模型在接近的地方可能包含好幾百個螺栓，所 導(dǎo)致的互相影響可能使很多螺栓產(chǎn)生不準(zhǔn)確的預(yù)緊力。在模擬的初始階段，用 戶必須非常注意，以確保FEA模型中的各個以及每一個螺栓都確實實現(xiàn)了正 確的預(yù)緊力。當(dāng)螺栓的數(shù)量非常有限，并且這些螺栓并不位于完全不同的方位 時，這種現(xiàn)有技術(shù)的方法可能能夠起作用。在另一種現(xiàn)有技術(shù)的方法中，每個 螺栓都由梁單元表示，其軸向應(yīng)力通過規(guī)定兩個梁端部節(jié)點的動作來反復(fù)確 定。當(dāng)達(dá)到期望的軸向應(yīng)力時，將引入約束，用于在兩個梁端部節(jié)點之間產(chǎn)生 剛性連接。螺栓預(yù)緊力不能達(dá)到期望水平的主要原因是螺栓連接內(nèi)的板或者其 它組件的變形。在另一個例子中，需要有非常詳細(xì)的螺栓模型(例如，多個實 體單元)來確保預(yù)緊力為內(nèi)部應(yīng)力。

因此，期望能有在有限元分析中初始化螺栓預(yù)緊力的改進(jìn)方法。

發(fā)明內(nèi)容