一种螺栓结构的建模计算方法

技术领域

本发明属于建模技术领域，具体涉及一种螺栓结构的建模计算方法。

背景技术

现有的涉及螺栓结构的计算方法主要有以下几种：

方法一：螺栓不参与建模，零件之间采用绑定连接，无接触，无螺栓预紧力。

方法二：螺栓采用梁单元模拟，指定螺栓直径，零件之间采用螺栓连接，无接触，无螺栓预紧力。

以上两种常用的螺栓结构建模计算方法在忽略螺栓预紧力的情况下均可使用，但是仍有以下几点不足：

1.当关注螺栓预紧力对模型的影响时，无法得到施加预紧力之后的受力状态。

2.当关注螺栓连接的部件之间的接触力时，由于均为刚性连接，无法得到接触力的数值。

3.当连接的部件均为柔性体，且部件之间有摩擦力时，由于没有设置接触，无法得到摩擦力对结构的影响。

4.无接触或刚性接触的模型会引起传力不均匀，导致部件应力失真。

发明内容

本发明提供一种螺栓结构的建模计算方法，解决现有技术的缺陷。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种螺栓结构的建模计算方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1、在螺栓结构三维模型的基础上搭建螺栓结构有限元模型，具体为：

S1.1、删除螺栓结构三维模型中的以下结构特征：小于2mm的倒角、直径小于10mm的工艺孔、间隙小于1mm的特征线；

S1.2.对螺栓结构三维模型采用五面体和六面体单元进行划分；

S1.3.通过以上两个步骤得到螺栓结构有限元模型。

S2、在螺栓结构有限元模型的基础上创建接触；

S3、在螺栓结构有限元模型的基础上创建连接；

S4、对螺栓结构有限元模型施加螺栓预紧力。

S5、计算搭建好的模型，并得到鞍座螺栓结构的应力值、接触力值、位移值。

有益效果：本发明可以同时考虑到：螺栓实体建模、螺栓预紧力、部件之间的摩擦力和接触应力、模型收敛性等方面，使得分析结果更准确。本发明通过添加控制参数解决了螺栓结构分析中隐式计算不收敛的问题，既保证模型搭建全面、又保证计算收敛性好。计算结果与试验数据吻合较好，有效的节约设计开发时间，节省开发成本。

附图说明

图1施加接触和连接后的螺栓结构有限元模型示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提出的一种螺栓结构的建模计算方法，具体步骤如下：

第一步：在螺栓结构三维模型的基础上搭建螺栓结构的有限元模型，具体方法如下：

S1.1、螺栓结构需要删除三维模型中的以下结构特征：小于2mm的倒角、直径小于10mm的工艺孔、间隙小于1mm的特征线。

S1.2.螺栓结构采用五面体和六面体单元进行划分；五面体和六面体体单元网格尺寸设置为8mm，局部细化网格尺寸为3mm；本方法中体单元的最小网格尺寸控制在1mm以上。

S1.3.通过以上两个步骤得到螺栓结构有限元模型；

第二步：在螺栓结构有限元模型的基础上创建接触。

S2.1.应用Abaqus中的interaction功能创建螺栓结构有限元模型中的接触。

S2.2.在interaction功能中创建接触属性：接触摩擦系数为0.2，接触类型为硬接触，摩擦公式选择：罚函数，方向性为：各项同性，滑移率为0，连接压力为0.1，约束强制选择：接触后允许分离。

S2.3.在interaction功能中创建面面接触(SurfaceToSurface)，接触面主要有：螺栓与垫片接触，螺母与部件接触，垫片与部件接触。其中参数设置：滑动公式为有限滑动，离散化方法选择从表面至表面，调整区域公差为0.3，接触属性选择上一步创建的接触属性。

第三步：在螺栓结构有限元模型的基础上创建连接。

S3.1.应用Abaqus中的creat constraint功能创建螺栓结构有限元模型中的连接。

S3.2.应用Abaqus中的creat constraint功能设置螺栓结构有限元模型中的刚性耦合(Coupling)连接，耦合类型选择运动耦合，约束六个方向的自由度。施加接触和连接后的螺栓结构有限元模型示意图见图1所示。

第四步：对螺栓结构有限元模型施加螺栓预紧力。

S4.1.在每一个螺栓处创建施加预紧力的平面和螺栓的中心轴线

S4.2.应用Abaqus中的creat load功能创建鞍座螺栓结构的螺栓预紧力，力的作用面为上一步创建的平面，力的大小按照螺栓等级和直径计算得出。

S4.3.在施加预紧力之后，应用Abaqus中的boltload功能对螺栓长度进行锁定。

S4.4.应用creat load中的force功能在已经施加好预紧力的螺栓模型中施加外力，计算在外力作用下螺栓结构的应力、应变、接触力的变化情况。

第五步：提交计算

应用Abaqus程序计算搭建好的模型，并得到鞍座螺栓结构的应力值、接触力值、位移值。

采用本发明搭建的模型可以同时考虑到：螺栓实体建模、螺栓预紧力、部件之间的摩擦力和接触应力、模型收敛性五个方面，使得分析结果与实际情况更相符。不仅能得到各部件的应力应变情况，同时可以计算出部件之间的接触力，及螺栓在施加预紧力之后的变形情况。

采用本发明搭建的模型可以做到：螺栓实体建模、施加螺栓预紧力、创建部件之间的接触、计算出螺栓结构的接触应力。

本发明通过添加控制参数解决了螺栓结构分析中隐式计算不收敛的问题，既保证模型搭建全面、又保证计算收敛性好。

计算结果与试验数据吻合较好，有效的节约设计开发时间，节省开发成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。