CN110348110B - 一种螺栓被连接件刚度自适应识别方法 - Google Patents

一种螺栓被连接件刚度自适应识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种螺栓被连接件刚度自适应识别方法，其特征在于，包括以下步骤：1)输入参数确定：确定几何尺寸和材料参数，确定载荷参数；2)螺栓连接***仿真分析模型建立：建立几何模型，建立网格模型，建立仿真分析模型；3)螺栓轴向刚度计算；4)外载作用下被连接件残余夹紧力提取：施加螺栓初始预紧力，施加外载荷，提取被连接件残余夹紧力；5)被连接件轴向刚度计算。本发明可以实现不同螺栓连接结构和承载形式下被连接件刚度的快速、准确计算和自适应识别，可为工程技术人员快速预测装配连接性能提供关键指标参考，也可为螺栓连接结构优化设计奠定理论基础。

Description

一种螺栓被连接件刚度自适应识别方法
【技术领域】
本发明属于智能制造领域，涉及一种螺栓被连接件刚度自适应识别方法。
【背景技术】
螺栓连接因其结构简单、拆卸方便且易于获得较大预紧载荷，被广泛应用于核电、军工、航空航天等领域的大型复杂机械***之中。螺栓被连接件刚度直接影响连接***的力学特性，是螺栓连接性能评估的关键指标之一。
为了准确计算螺栓被连接件刚度，国内外学者开展了大量研究工作，主要方法包括理论计算、有限元法和试验测试法。在理论计算方面，将被连接件压应力沿轴向分布简化为空心圆柱体、圆锥体和球体等形状，并假设受压区每受压层的压应力分布为均布或为径向坐标的四次关系式，以此推导出被连接件刚度的解析式；在有限元法方面，构建了螺栓连接精细化有限元模型，通过提取螺栓头接触面法向最大、最小和平均变形量，利用胡克定律计算被连接件轴向刚度；在试验测试方面，主要利用千分表测量预紧载荷下被连接件局部变形，或者利用压力薄膜检测被连接件结合面接触压力分布，进而反求出被连接件刚度。
可以看出，各国学者在被连接件刚度计算方面开展了大量卓有成效的研究工作，然而也存在诸多尚未解决的问题。一是，现有理论计算方法存在大量假设条件，不同结构形式与承载条件都会引发被连接件刚度计算的不准确；二是，现有有限元方法受限于变形量提取位置的不固定，无法真实描述被连接件整体刚度特性；三是，目前试验测试方法属于间接测量方法，误差较大，且成本高昂，无法满足工程推广应用。因此，迫切需要开发一种考虑真实螺栓连接结构和承载形式，消除由于变形位置选取引入的测量误差，且可以快速准确计算螺栓被连接件整体刚度的新方法。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种螺栓被连接件刚度自适应识别方法，该方法通过建立精细化的螺栓连接结构有限元模型，分析外载作用下螺栓连接夹紧力的变化，并借助材料变形协调方程，构建初始预紧力、残余夹紧力、螺栓刚度与被连接件刚度之间的关联模型，以此为基础，实现不同螺栓连接结构和承载形式下螺栓被连接件刚度的快速准确计算和自适应识别。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种螺栓被连接件刚度自适应识别方法，包括以下步骤：
步骤1：确定输入参数；
步骤2：建立螺栓连接***仿真分析模型；
步骤3：计算螺栓轴向刚度；
步骤4：提取外载作用下被连接件残余夹紧力；
步骤5：计算被连接件轴向刚度。
本发明进一步的改进如下：
所述步骤1的具体方法如下：
步骤1-1：确定几何尺寸和材料参数：确定被连接件、螺栓的几何尺寸和材料属性参数；
步骤1-2：确定载荷参数：确定初始螺栓预紧力载荷和外部施加载荷。
所述步骤2的具体方法如下：
步骤2-1：建立螺栓连接***几何模型：利用有限元软件建立螺栓连接***二维对称几何模型；
步骤2-2：建立螺栓连接***网格模型：通过材料属性设置、网格划分和预紧单元划分，建立螺栓连接***二维对称网格模型；
步骤2-3：建立螺栓连接***仿真分析模型：在关键结合面之间设置接触函数，包括螺栓头与被连接件接触面、被连接件之间接触面、被连接件与螺母接触面、螺母螺纹与螺栓螺纹啮合面，在下被连接件下表面设置位移约束，从而建立螺栓连接***二维对称仿真分析模型。
所述步骤3的具体方法如下：
螺栓的轴向刚度为：
Figure BDA0002122352600000031
其中，Len为螺栓螺母旋合螺纹部分的等效长度，单位mm；Lt为螺栓头部和螺母支承面间螺纹部分长度，单位mm；Lb为螺栓杆长度，单位mm；Leh为螺栓头等效长度，单位mm；Ab为螺栓光杆横截面积Ab＝πd2/4，单位mm2；As为螺纹面横截面积As＝π(d-0.9382p)2/4，单位mm2；d为螺栓公称直径，单位mm；p为螺纹节距，单位mm；Eb为螺栓材料弹性模量，单位MPa。
所述步骤4的具体方法如下：
步骤4-1：施加螺栓初始预紧力：利用步骤2-3建立的螺栓连接***仿真分析模型，设置第一载荷步，通过预紧力单元施加螺栓初始预紧力Fi，并求解第一载荷步；
步骤4-2：施加外载荷：在步骤4-1分析结果基础上，设置第二载荷步，在螺栓头和尾部施加外载荷Fex，且Fex<80％Fi，并求解第二载荷步；
步骤4-3：提取被连接件残余夹紧力：在步骤4-2分析结果基础上，提取被连接件结合面法向残余夹紧力Fcf。
所述步骤5的具体方法如下：
被连接件轴向刚度为：
Figure BDA0002122352600000041
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
与传统理论计算、有限元和试验测试方法相比，运用本发明能够解决当前模型存在假设、测点难以确定以及间接测量带来的螺栓被连接件刚度计算过程复杂、结果不准确、工程适用性不强等问题，实现不同螺栓连接结构和承载形式下被连接件刚度的快速、准确计算和自适应识别，成本低、耗时小，且易于工程现场推广应用，可为工程技术人员快速预测装配连接性能提供关键指标参考，也可为螺栓连接结构优化设计奠定理论基础，同时也为推进复杂机械装备的智能化进程提供基础技术支撑。
【附图说明】
图1为本发明的被连接件刚度计算流程图；
图2为本发明的螺栓连接***结构示意图；
图3为本发明的螺栓变形等效简化结构形式图。
【具体实施方式】
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明螺栓被连接件刚度自适应识别方法，具体步骤如下：
1)确定输入参数，包含如下步骤：
1-1)确定几何尺寸和材料参数：确定被连接件、螺栓的几何尺寸和材料属性参数；
1-2)确定载荷参数：确定初始螺栓预紧力载荷和外部施加载荷。
2)建立螺栓连接***仿真分析模型，包含如下步骤：
2-1)建立螺栓连接***几何模型：利用有限元软件建立螺栓连接***二维对称几何模型；
2-2)建立螺栓连接***网格模型：通过材料属性设置、网格划分和预紧单元划分，建立螺栓连接***二维对称网格模型；
2-3)建立螺栓连接***仿真分析模型：在关键结合面之间设置接触函数，包括螺栓头与被连接件接触面、被连接件之间接触面、被连接件与螺母接触面、螺母螺纹与螺栓螺纹啮合面，在下被连接件下表面设置位移约束，从而建立螺栓连接***二维对称仿真分析模型。
3)计算螺栓轴向刚度，包含如下步骤：
螺栓的轴向刚度为：
Figure BDA0002122352600000061
式中，Len为螺栓螺母旋合螺纹部分的等效长度，单位mm；Lt为螺栓头部和螺母支承面间螺纹部分长度，单位mm；Lb为螺栓杆长度，单位mm；Leh为螺栓头等效长度，单位mm；Ab为螺栓光杆横截面积Ab＝πd2/4，单位mm2；As为螺纹面横截面积As＝π(d-0.9382p)2/4，单位mm2；d为螺栓公称直径，单位mm；p为螺纹节距，单位mm；Eb为螺栓材料弹性模量，单位MPa。
4)提取外载作用下被连接件残余夹紧力，包含如下步骤：
4-1)施加螺栓初始预紧力：利用步骤2-3建立的螺栓连接***仿真分析模型，设置第一载荷步，通过预紧力单元施加螺栓初始预紧力Fi，并求解第一载荷步；
4-2)施加外载荷：在步骤4-1分析结果基础上，设置第二载荷步，在螺栓头和尾部施加外载荷Fex，且Fex<80％Fi，并求解第二载荷步；
4-3)提取被连接件残余夹紧力：在步骤4-2分析结果基础上，提取被连接件结合面法向残余夹紧力Fcf。
5)计算被连接件轴向刚度，包含如下步骤：
被连接件轴向刚度为：
Figure BDA0002122352600000071
实施例：
本实施例试件选用GB/T 5782-2000M12单螺栓连接结构，计算螺栓被连接件轴向刚度，并且附图对本发明作进一步详细说明。具体步骤如下：
1)确定输入参数；
1-1)确定几何尺寸和材料参数：确定被连接件、螺栓的几何尺寸和材料属性参数，螺栓规格M12，螺距p＝1.5，被连接件厚度为20mm，内径为13mm，外径160mm；螺栓与被连接件弹性模量Eb＝Em＝2×105MPa；
1-2)确定装配工艺参数：螺栓初始预紧力Fi＝20kN,外载荷Fex＝5kN。
2)建立螺栓连接***仿真分析模型；
2-1)建立螺栓连接***几何模型：利用有限元软件建立螺栓连接***二维对称几何模型；
2-2)建立螺栓连接***网格模型：通过材料属性设置、网格划分和预紧单元划分，建立螺栓连接***二维对称网格模型；
2-3)建立螺栓连接***仿真分析模型：在关键结合面之间设置接触函数，包括螺栓头与被连接件接触面、被连接件之间接触面、被连接件与螺母接触面、螺母螺纹与螺栓螺纹啮合面，在下被连接件下表面设置位移约束，从而建立螺栓连接***二维对称仿真分析模型。
3)计算螺栓轴向刚度；
螺栓的轴向刚度为：
Figure BDA0002122352600000081
式中，Len为螺栓螺母旋合螺纹部分的等效长度，单位mm；Lt为螺栓头部和螺母支承面间螺纹部分长度，单位mm；Lb为螺栓杆长度，单位mm；Leh为螺栓头等效长度，单位mm；Ab为螺栓光杆横截面积Ab＝πd2/4，单位mm2；As为螺纹面横截面积As＝π(d-0.9382p)2/4，单位mm2；d为螺栓公称直径，单位mm；p为螺纹节距，单位mm；Eb为螺栓材料弹性模量，单位MPa。
因此，螺栓的轴向刚度为：Kb＝11275.33N/mm。
4)提取外载作用下被连接件残余夹紧力；
4-1)施加螺栓初始预紧力：利用步骤2-3建立的螺栓连接***仿真分析模型，设置第一载荷步，通过预紧力单元施加螺栓初始预紧力Fi＝20kN，并求解第一载荷步；
4-2)施加外载荷：在步骤4-1分析结果基础上，设置第二载荷步，在螺栓头和尾部施加外载荷Fex＝5kN，并求解第二载荷步；
4-3)提取被连接件残余夹紧力：在步骤4-2分析结果基础上，提取被连接件结合面法向残余夹紧力Fcf＝16.279kN。
5)计算被连接件轴向刚度；
被连接件轴向刚度为：
Figure BDA0002122352600000091
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种螺栓被连接件刚度自适应识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定输入参数；
步骤2：建立螺栓连接***仿真分析模型，具体方法如下：
步骤2-1：建立螺栓连接***几何模型：利用有限元软件建立螺栓连接***二维对称几何模型；
步骤2-2：建立螺栓连接***网格模型：通过材料属性设置、网格划分和预紧单元划分，建立螺栓连接***二维对称网格模型；
步骤2-3：建立螺栓连接***仿真分析模型：在关键结合面之间设置接触函数，包括螺栓头与被连接件接触面、被连接件之间接触面、被连接件与螺母接触面、螺母螺纹与螺栓螺纹啮合面，在下被连接件下表面设置位移约束，从而建立螺栓连接***二维对称仿真分析模型；
步骤3：计算螺栓轴向刚度，具体方法如下：
螺栓的轴向刚度为：
Figure FDA0003482797870000011
其中，Len为螺栓螺母旋合螺纹部分的等效长度，单位mm；Lt为螺栓头部和螺母支承面间螺纹部分长度，单位mm；Lb为螺栓杆长度，单位mm；Leh为螺栓头等效长度，单位mm；Ab为螺栓光杆横截面积Ab＝πd2/4，单位mm2；As为螺纹面横截面积As＝π(d-0.9382p)2/4，单位mm2；d为螺栓公称直径，单位mm；p为螺纹节距，单位mm；Eb为螺栓材料弹性模量，单位MPa；
步骤4：提取外载作用下被连接件残余夹紧力，
步骤4-1：施加螺栓初始预紧力：利用步骤2-3建立的螺栓连接***仿真分析模型，设置第一载荷步，通过预紧力单元施加螺栓初始预紧力Fi，并求解第一载荷步；
步骤4-2：施加外载荷：在步骤4-1分析结果基础上，设置第二载荷步，在螺栓头和尾部施加外载荷Fex，且Fex<80％Fi，并求解第二载荷步；
步骤4-3：提取被连接件残余夹紧力：在步骤4-2分析结果基础上，提取被连接件结合面法向残余夹紧力Fcf；
步骤5：计算被连接件轴向刚度，
被连接件轴向刚度为：
Figure FDA0003482797870000021
Fi为螺栓初始预紧力，Fcf为残余夹紧力，Fex为外载荷。
2.根据权利要求1所述的螺栓被连接件刚度自适应识别方法，其特征在于，所述步骤1的具体方法如下：
步骤1-1：确定几何尺寸和材料参数：确定被连接件、螺栓的几何尺寸和材料属性参数；
步骤1-2：确定载荷参数：确定初始螺栓预紧力载荷和外部施加载荷。
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