[發明專利]一種螺栓連接的有限元高精度簡化建模方法及系統

有效

• 申請號: 201811289099.6
• 申請日: 2018-10-31
• 公開（公告）號: CN109508486B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 劉賽;肖凱;尹進;姚宇地;蘇玲;王月;姚納新;熊艷麗;陳飛;鄧云飛;孔文秦;張斌;宋春雨;石小亮;陳譽仁
• 申請（專利權）人: 中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 高志瑞

本發明公開了一種螺栓連接的有限元高精度簡化建模方法及系統，其中，該方法包括如下步驟：建立第一被連接件和第二被連接件的有限元模型；以第一接觸區域的圓心和第二接觸區域的圓心為節點，建立代表螺栓的梁單元；在第一梁單元節點與第一接觸區域的節點之間、第二梁單元節點與第二接觸區域的節點之間建立若干彈簧阻尼單元；將彈簧阻尼單元分組，每組賦予同一個剛度值和同一個阻尼值。此方法與傳統的簡化建模方法相比，可以準確模擬螺栓和被連接件之間的力學特性，并且考慮了螺栓和被連接件的空間位置和尺寸，提高了螺栓連接的有限元簡化建模方法的分析精度。

技術領域

本發明屬于緊固件強度校核領域，尤其涉及一種螺栓連接的有限元高精度簡化建模方法及系統。

背景技術

螺栓連接是目前各類機械結構的主要連接方式和薄弱環節。現代機械結構連接的方式有螺栓連接、焊接和膠結等，其中螺栓連接由于具備成本低、易拆卸和連接可靠等優點，成為各類機械主要的連接方式。由于螺栓連接設計、安裝和維護不當，造成設備損毀和人員傷亡的事故屢見不鮮。在工程設計中，一般采用有限元建模計算方法對螺栓連接(包括螺栓和被連接結構)進行強度校核。由于一般機械結構采用數量龐大的螺栓進行連接，現有的有限元建模和計算水平難以支撐螺栓連接高精度、無簡化的建模分析，因此螺栓連接的有限元高精度、高效率的簡化建模分析方法對機械結構設計校核具有重要意義。

現有螺栓連接的有限元簡化建模方法主要有兩種，第一種是將螺栓簡化為一個梁單元，梁單元的兩個節點分別與兩個被連接件的部分單元節點用剛性約束單元連接。這種簡化方法由于采用了剛性約束單元連接螺栓和被連接件，因此無法描述螺栓和被連接件之間的力學特性，降低了螺栓連接的有限元簡化建模方法的分析精度。

第二種是將螺栓簡化為一個彈簧阻尼單點單元，作為螺栓自身力學特性、螺栓和被連接件之間力學特性的綜合等效方式。這種簡化方法試圖將各種非線性因素一同進行簡化，忽略了螺栓和被連接件的空間位置和尺寸，因此降低了螺栓連接的有限元簡化建模方法的分析精度。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種螺栓連接的有限元簡化建模方法及系統，將螺栓簡化為一個梁單元，梁單元的兩個節點分別與兩個被連接件的部分單元節點用彈簧阻尼單元連接，可以準確模擬螺栓和被連接件之間的力學特性，并且考慮了螺栓和被連接件的空間位置和尺寸，提高了螺栓連接的有限元簡化建模方法的分析精度。

本發明目的通過以下技術方案予以實現：根據本發明的一個方面，一種螺栓連接的有限元高精度簡化建模方法，所述方法包括如下步驟：(1)建立第一被連接件和第二被連接件的有限元模型；(2)以第一接觸區域的圓心和第二接觸區域的圓心為節點，建立代表螺栓的梁單元；(3)在第一梁單元節點與第一接觸區域的節點之間、第二梁單元節點與第二接觸區域的節點之間建立若干彈簧阻尼單元；(4)將彈簧阻尼單元分組，每組賦予同一個剛度值和同一個阻尼值。

上述螺栓連接的有限元高精度簡化建模方法中，在步驟(1)中，建立第一被連接件和第二被連接件的有限元模型包括如下步驟：第一被連接件與螺栓的第一接觸區域為圓環，第二被連接件與螺栓的第二接觸區域為圓環，建立第一接觸區域和第二接觸區域內第一被連接件和第二被連接件的有限元模型，在第一接觸區域有均勻分布的第一節點，在第二接觸區域內有均勻分布的第二節點；建立第一接觸區域和第二接觸區域外第一被連接件和第二被連接件的有限元模型。

上述螺栓連接的有限元高精度簡化建模方法中，在步驟(2)中，以第一接觸區域的圓心和第二接觸區域的圓心為節點，建立代表螺栓的梁單元包括如下步驟：在第一接觸區域的圓心處建立第一梁單元節點，在第二接觸區域的圓心處建立第二梁單元節點；在第一梁單元節點和第二梁單元節點間建立梁單元；賦予梁單元圓形截面屬性，其直徑值與螺栓有效直徑一致。