[發明專利]一種構件強度的優化方法及其應力分析方法

有效

• 申請號: 201310566613.7
• 申請日: 2013-11-13
• 公開（公告）號: CN103559361A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 李向偉;孟慶民;陳龍
• 申請（專利權）人: 齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 薛晨光;魏曉波

技術領域

本發明涉及船舶、海洋平臺、航空及車輛等行業的結構件設計，具體涉及構件強度的優化方法及其應力分析方法。

背景技術

有限元分析（FEA，Finite?Element?Analysis）是一種現代計算方法，它采用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬，利用簡單而又相互作用的元素（即單元），以有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。利用有限元分析對結構件（構件）進行詳細的力學分析，可以獲得構件在實際使用狀態下盡可能真實的受力信息，從而可以在設計階段對可能出現的各種問題進行安全評判，并進行相應的設計參數修改。據有關資料記載，一個新產品的結構設計缺陷有60％以上可以在設計階段消除，因此，有限元分析這樣的分析手段功不可沒。目前，有限元分析已經廣泛應用于不同學科的工程技術領域，以確保構件的工作強度。

在進行有限元分析時，對于結構尺寸較大的構件，通常會采用較大的網格尺寸（單元尺寸）進行建模，以提高分析計算的效率。但是，對于構件上的應力梯度變化較大的區域（通常為構件的結構剛度變化較大的區域，也是應力集中區域），由于其應力分布一般表現為非線性分布，因此，采用較大的單元尺寸進行有限元分析，不能很好地描述該單元的應力的非線性分布情況，具體請參見以下示例。

圖1所示構件為一種丁字型焊接接頭，其中，底板11長3000mm，寬1000mm；立板12長1000mm，高500mmm；底板11和立板12的板厚t都是5mm；立板12的底邊焊接在底板11的右端頂面上，焊縫13的高度為5mm。該丁字型焊接接頭的右端固定，左端加載，采用板殼單元進行有限元分析。當設定單元的長度為100×t=500mm時，立板12被劃分為了如圖2所示的兩個單元（A1、A2），單元A1上的應力分布中如圖4中直線Z1所示的線性載荷分布。

然而，上述結構中，底板11與立板12的焊縫13部位一定會有明顯的應力集中，也就是說，實際上這個區域的應力分布應當表現為明顯的非線性分布，顯然，圖4中Z1所示的線性載荷分布與實際情況存在一定的差距。為了得到相對精確的結果，進行有限元分析時，對于細部結構進行應力評估時（特別是應力集中區域），通常需要細化局部網格。針對圖1所示的結構，當設定單元的長度為如圖3所示的12.5×t=62.5mm時，單元A1被劃分為了8個單元，通過有限元分析后得到了圖4中Z2所示的曲線，曲線Z2才可以很好地表明焊縫根部的非線性應力分布情況。

由此可見，在對構件的有限元分析過程中，單元尺寸對應力分析的結果影響較大，尤其在應力集中區域更為明顯。雖然可以通過細化網格的方式得到相對精確的結果，但是這種處理方式工作量大，求解效率低，實現比較繁瑣。

有鑒于此，亟待針對現有的有限元分析方法進行優化設計，以提高構件有限元分析的效率和精度，進一步提高構件的強度可靠性。

發明內容

針對上述缺陷，本發明解決的技術問題在于提供一種構件的應力分析方法，以確保構件應力分析的精度，同時有效提高了工作效率。在此基礎上，本發明還提供一種應用該應力分析方法的構件強度優化方法。

本發明提供的構件的應力分析方法，包括以下步驟：

對構件進行有限元分析，獲得每一個單元的線性應力分布以及該單元兩端的邊線載荷；

在應力集中部位的所述單元的應力集中區域內插入第一節點，在應力集中區域外插入第二節點，將該單元劃分為三個子單元；

根據所述單元的力和力矩分別與三個所述子單元的合力和合力矩相等的原理，確定三個所述子單元各自的邊線載荷；

以三個所述子單元的邊線載荷組成的多段線性應力分布替代該單元的線性應力分布，獲得該單元的應力解析值。

優選地，所述第一節點和第二節點將相應的單元依次劃分為第一、第二和第三子單元，其中，所述第三子單元的應力分布為均載，且邊線載荷ff3=(f1+f2)/2，其中，f1和f2為該單元兩端的邊線載荷。

優選地，所述第一子單元的兩端邊線載荷ff1和ff2通過以下公式計算得到：