[發明專利]一種可實現六面體網格劃分的螺栓有限元參數化建模方法

有效

• 申請號: 201110302715.9
• 申請日: 2011-10-09
• 公開（公告）號: CN102332047A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發明（設計）人: 洪軍;朱林波;楊國慶;王崴;李寶童
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

技術領域

本發明涉及一種螺栓有限元建模方法，更具體地說，本發明涉及一種可實現六面體網格劃分，用于更精確分析螺栓聯接壓力分布、應力集中和自松弛等聯接性能的螺栓模型參數化構建方法。

背景技術

螺栓聯接由于其可獲得很大預緊力且拆卸方便而被廣泛應用于機械系統中，其聯接性能的好壞直接影響機械系統整機性能。目前，就螺栓聯接性能(剛度、強度、疲勞和應力松弛等)而言，在試驗研究、基于彈性理論的理論分析和數值模擬三個方面都有所突破。但有限元技術在螺栓聯接應力松弛、螺紋齒根的應力集中等高精度性能分析方面擁有明顯的優勢，已成為最為有力的螺栓連接性能分析手段。

螺栓聯接有限元模型作為性能分析的載體，其構建的合理與否直接關系計算精度和求解效率。在螺栓聯接的傳統有限元性能分析中，軸對稱的二維模型被廣泛應用，但由于其未考慮螺紋的三維幾何效應，不能有效的分析應力集中、自松弛等問題；有學者利用螺旋掃描的方法構建了螺栓聯接三維模型，此模型考慮了螺紋幾何效應，但由于商用有限元軟件功能的限制，其網格劃分多采用三維四面體自由網格劃分的方法，從而無法保證網格劃分的質量，影響計算精度和求解效率。而三維六面體網格在計算精度、劃分網格數量、抗畸變程度等方面比三維四面體網格具有明顯的優勢。因此，有必要提出一種在建模階段就考慮到網格劃分的建模方法，實現考慮螺紋幾何形狀的螺栓模型六面體掃描網格劃分，改善螺栓模型網格劃分質量，從而提高螺栓聯接仿真計算的求解精度和效率。

發明內容

本發明的主要目的是提供一種可實現六面體網格劃分的螺栓有限元參數化建模方法，改善螺栓模型網格劃分質量，提高聯接仿真計算的求解精度和求解效率，同時為其他含有螺紋幾何形狀的結構(如螺釘、螺母等)實現六面體網格劃分提供方法參照。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一種可實現六面體網格劃分的螺栓有限元參數化建模方法，包含下述步驟：

1)關鍵幾何尺寸參數化：在有限元軟件中對螺栓模型關鍵幾何尺寸進行參數化設定；

2)螺紋單截面模型構建：將螺紋單截面沿周向分為四個部分，四部分面擁有同一圓心，而每個面的半徑變化規律一致，利用分段表達法構建垂直螺栓軸線方向的螺紋單截面模型；

3)單節距螺紋截面構建：沿螺栓軸線的方向將單節距劃分17個截面，以步驟2)中構建的螺紋單截面模型的關鍵點為對象，利用關鍵點平移和旋轉的方法構建單節距上各個螺紋截面模型；

4)螺紋段體模型構建：通過對步驟3)中構建的單節距上各個螺紋截面模型進行面分割，利用有限元軟件體生成、復制和平移功能，沿螺栓軸線方向生成數目為螺紋個數的螺紋段體模型；

5)不帶螺紋的螺桿模型構建：利用有限元的圓柱體建模功能構建不帶螺紋的螺桿模型，依照螺紋體模型沿軸線的分割界限劃分新建的不帶螺紋的螺桿模型；

6)螺桿和螺紋結合部處理：將步驟4)構建的螺桿體模型和步驟5)構建的螺紋體模型結合部對應的關鍵點相連生成連接線，并利用各段的連接線生成螺桿和螺紋結合部的閉合面模型，通過面模型生成相應的體模型；

7)螺栓頭模型構建：依據螺栓頭實際尺寸，構建螺桿頭部圓柱體和六角螺栓頭，依照螺紋體模型沿軸線的分割界限劃分新建體模型；

8)六面體網格劃分：選取單元類型，利用映射Mapped劃分整個螺栓體模型，生成螺栓單元網格模型。

所述的螺栓模型關鍵幾何尺寸包括：螺栓公稱直徑d，螺紋節距P，螺紋圈數nn，螺紋牙半角α，齒根圓角半徑ρ，齒全高H，螺紋段長度B，螺桿長度L，螺栓頭厚度KGC，六角螺栓頭內切圓直徑S，六角螺栓頭對頂點距離e，螺桿頭部圓柱體直徑DW，厚度C。

所述的利用分段表達法構建垂直螺栓軸線方向的螺紋單截面模型，具體包含以下步驟：

1)利用有限元軟件關鍵點的構建功能建立第一段圓弧線上的7個關鍵點(kp1，……，kp7)，每個關鍵點的柱坐標如下式所示：