[發(fā)明專利]一種六面體網(wǎng)格劃分的螺栓及螺母有限元參數(shù)化建模方法

有效

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• 申請日: 2021-02-28
• 公開（公告）號: CN112836316B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發(fā)明（設計）人: 徐杰;王曉;韓慶華
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 薄華宇

本發(fā)明提供了一種六面體網(wǎng)格劃分的螺栓及螺母有限元參數(shù)化建模方法，包括以下步驟：S1：確定螺栓及螺母的幾何特征；S2：確定螺栓及螺母的網(wǎng)格特征；S3：將螺栓沿軸向劃分為螺帽區(qū)、螺桿區(qū)、過渡區(qū)及螺紋區(qū)，利用分段表達法構建垂直螺栓軸線方向的螺栓及螺母單截面節(jié)點坐標；S4：將所得的各個螺栓、螺母單截面節(jié)點沿螺栓軸線方向復制、平移、編號、旋轉(zhuǎn)，從而構建整個螺栓和螺母模型節(jié)點坐標矩陣；S5：將步驟S4所得螺栓及螺母節(jié)點坐標按照有限元軟件中八節(jié)點六面體單元節(jié)點連接次序規(guī)則；S6：將步驟S3和步驟S5得到的節(jié)點坐標及單元編號矩陣導出。本發(fā)明能夠改善螺栓模型網(wǎng)格劃分質(zhì)量，兼顧連接仿真計算的求解精度和求解效率。

技術領域

本發(fā)明涉及螺栓有限元建模方法的技術領域，更具體地，涉及一種六面體網(wǎng)格劃分的螺栓及螺母有限元參數(shù)化建模方法。

背景技術

相較于焊接和鉚接，螺栓聯(lián)接因成本低、裝卸方便，外形美觀而被廣泛應用于各類機械結構中，其聯(lián)接性能的好壞直接影響整個機械系統(tǒng)的整體性能。

有限元仿真在研究螺栓聯(lián)結應力松弛、螺栓松動過程、螺紋齒根的應力集中等高精度性能分析方面擁有顯著優(yōu)勢，是最為有力的螺栓連接性能分析手段。但由于螺紋的復雜幾何形狀，導致在螺紋網(wǎng)格劃分比較困難，通常需要花費大量時間和精力在有限元預處理環(huán)節(jié)上，如何同時兼顧計算精度和求解效率，成為螺栓有限元分析的難點和熱點問題。

現(xiàn)有的螺栓聯(lián)接的有限元性能分析中，以軸對稱的二維模型和三維四面體自由網(wǎng)格比較多見，軸對稱模型忽略了螺旋效應，不能有效的分析應力集中、自松弛問題，而運用螺旋掃描和商業(yè)軟件自帶的三維四面體自由網(wǎng)格劃分，雖然考慮了螺旋效應，但網(wǎng)格質(zhì)量不佳，導致計算精度和求解效率不高。基于投影法描述的螺紋輪廓曲線，通過對螺紋處單層網(wǎng)格的不斷幅值、平移、旋轉(zhuǎn)、合并節(jié)點，得到普通螺紋螺栓全六面體網(wǎng)格連續(xù)、美觀，網(wǎng)格質(zhì)量較高，能夠用于精確模擬螺紋間相互作用關系，但是該建模過程復雜，對于不同螺栓，需要重新手動建模，效率不高，并且，現(xiàn)有的建模方法要么需要多個軟件協(xié)同作業(yè)，建模流程復雜，要么并未實現(xiàn)全部參數(shù)化，不能描述周向網(wǎng)格數(shù)目發(fā)生變化的情況。

因此，現(xiàn)有技術中亟需用于更精確分析螺栓聯(lián)結壓力分布、應力集中和自松弛等聯(lián)結性能的螺栓、螺母有限元參數(shù)化建模方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明提供了一種六面體網(wǎng)格劃分的螺栓及螺母有限元參數(shù)化建模方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過下述技術方案予以實現(xiàn)：

一種六面體網(wǎng)格劃分的螺栓及螺母有限元參數(shù)化建模方法，包括以下步驟：

S1：確定螺栓及螺母的幾何特征：螺栓的螺帽區(qū)、螺桿區(qū)、過渡區(qū)及螺紋區(qū)，其中螺帽厚度為L₁、螺帽半徑為R₁、光桿長度為L₂、過渡區(qū)長度為N₁×P、螺紋區(qū)長度為N₂×P、螺栓公稱直徑為d，螺紋螺距為P、配套螺母厚度為N₃×P、螺母半徑R₂；

S2：確定螺栓及螺母的網(wǎng)格特征：螺距內(nèi)等分層數(shù)為t₁、螺帽等分層數(shù)為t₂、光桿等分層數(shù)為t₃、螺母徑向等分數(shù)為n₁、螺帽徑向等分數(shù)為n₂、螺栓桿徑向等分數(shù)為n₃、螺栓及螺母周向等分數(shù)為N；

S3：將螺栓沿軸向劃分為螺帽區(qū)、螺桿區(qū)、過渡區(qū)及螺紋區(qū)四個部分，四個部分擁有同一圓心，每個部分除螺紋區(qū)外螺紋部分外，截面半徑呈線性變化規(guī)律，利用分段表達法構建垂直螺栓軸線方向的螺栓及螺母單截面節(jié)點坐標；

S4：將所得的各個螺栓、螺母單截面節(jié)點沿螺栓軸線方向復制、平移、編號、旋轉(zhuǎn)，從而構建整個螺栓和螺母模型節(jié)點坐標矩陣；