一种考虑表面加工质量的栓接结合部动态特性分析方法
【专利摘要】一种考虑表面加工质量的栓接结合部动态特性分析方法,属机械性能分析领域。其包括：参数化建模、结合面普通建模、施加边界条件、静力分析、接触刚度阻尼计算、结合面模型重建、栓接结合面刚度阻尼建模、动态特性分析步骤；根据模型参数自动建立模型，选择静力分析后，通过选择的材料参数、接触面加工方法、粗糙度及静力分析结果，计算结合面接触刚度和阻尼值，重新创建接触单元，进行栓接结合部动态分析获取结合部固有频率、主振形和频响函数。本发明基于ANSYS二次开发平台，建立栓接结合部参数化模型，用于分析材料属性、接触面加工方法、加工粗糙度、外部载荷对栓接结合部动态特性的影响。
【专利说明】一种考虑表面加工质量的栓接结合部动态特性分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于软件应用【技术领域】，特别是涉及一种考虑接触面加工方法和加工粗糙度的栓接结合部动态特性分析方法。
【背景技术】
[0002]机床中存在大量的栓接结合部，在机床工作过程中，栓接结合部的动态特性影响机床的加工效率、加工精度，加速部件之间的磨损，进而影响机床的使用寿命和机床可靠性。因此检接结合部的研究对提闻机床质量十分有意义。
[0003]栓接结合部的动态特性受材料属性、表面质量、外部载荷的影响很大。通过现有的有限元分析软件能够分析材料属性和外部载荷对栓接结合部动态特性的影响，但是却不能分析接触面表面质量对结构动态特性的影响。
[0004]目前国内外学者通过分形接触理论建立了考虑接触面表面质量的接触刚度和接触阻尼模型。本发明基于分形接触理论的接触刚度和接触阻尼模型，利用有限元软件ANSYS二次开发平台，建立考虑接触面加工方法和加工粗糙度的栓接结合部参数化模型，用于分析其动态特性。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，克服现有结合面仿真方法的缺陷，提供一种基于分形接触理论的接触刚度和接触阻尼模型，利用有限元软件ANSYS 二次开发平台，建立考虑接触面加工方法和加工粗糙度的栓接结合部参数化模型，用于分析其动态特性
[0006]本发明是采用以下技术手段实现的，实现该方法的系统包括
[0007]一种考虑接触面加工方法和粗糙度的栓接结合面动态仿真方法，包括:参数化建模、结合面普通建模、施加边界条件、静力分析、接触刚度和接触阻尼计算、结合面模型重建、栓接结合面刚度阻尼建模、动态特性分析步骤；
[0008]参数化建模步骤，利用体命令生成立方体和圆柱结构；采用布尔减运算和粘结操作生成栓接结合部模型；生成实体模型后，采用线网格控制命令和网格扫略命令，生成有限元网格模型；建模过程中，利用APDL语言定义模型参数化变量，生成参数化模型；
[0009]结合面普通建模步骤，通过参数化设计语言选择结合面；目标面单元设定为为TARGE170单元，接触面单元设置为为C0NTA174单元；设定柔-柔面接触，初始接触为绑定；
[0010]施加边界条件步骤，包括栓接结合部约束位置、载荷施加位置、载荷大小、载荷方向；螺栓孔处一段设置为固定约束，另一段施加压强载荷；载荷施加区域利用坐标法拾取节点；
[0011]静力分析步骤，首先设置分析类型为结构静力分析，设置求解内容，进行求解；通过选择接触单元，选择单元所有节点，通过循环命令，以数组格式按照从小到大顺序提取各自节点编号及对应的压强值。
[0012]接触刚度和接触阻尼计算步骤，根据提取的结合面节点压强值，通过分形接触刚度和接触阻尼模型，使用循环命令和公式运算，计算各节点处的接触刚度和接触阻尼值，以数组形式保存。
[0013]结合面模型重建，通过单元删除命令删除结合面普通建模步骤中建立的接触模型，通过循环命令创建自定义矩阵单元，设定单元编号，接触刚度和接触阻尼值赋值给单元实常数，生成接触刚度和接触阻尼单元，按照节点编号从小到大顺序建立结合面接触刚度和和阻尼单元。
[0014]动态特性分析步骤，设置分析类型，包括模态分析、谐响应分析；模态分析后处理中输出固有频率及主振形；谐响应分析后处理中输出关键点频响函数图。
[0015]根据上述结果，用户可以分析接触面机加工方法和加工粗糙度对栓接结合部动态特性的影响。
[0016]前述的利用APDL语言定义结构参数变量包括:栓接结合部结构参数、材料编号、螺栓预紧力、结合面加工方法、加工粗糙度；其中栓接结合部结构参数包括总长度、凸台长度宽度、总高度、凸台高度、螺栓孔直径；材料参数包括QT-235、QT250 ;结合面加工方法包括铣削、磨削；加工粗糙度参数包括五个粗糙度值(0.4,0.6,0.8,1.2,1.6)，单位为微米。
[0017]前述的自定义矩阵单元为MATRIX27矩阵单元。
[0018]本发明一种考虑接触面加工方法和加工粗糙度的分析栓接结合部动态特性的方法，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果:
[0019]本发明基于分形接触理论的接触刚度和接触阻尼模型，利用有限元软件ANSYS 二次开发平台，建立考虑接触面加工方法和加工粗糙度的栓接结合部参数化模型，用于分析材料属性、接触面加工方法、表面粗糙度、外部载荷、结合形状对栓接结合部动态特性的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为栓接结合部结构示意图；
[0021]图2为试件结构尺寸示意图；
[0022]图3为栓接结合部动态特性分析流程图；
[0023]图4为MATRIX27单元几何简图；
[0024]图5为MATRIX27单元矩阵示意图；
图6为MATRIX27矩阵单元系数示意图。
[0025]图中，1、上试件，2、结合部接触单元，3、下试件。
【具体实施方式】
[0026]以下结合说明书附图，对本发明的具体实施加以说明。
[0027]请参阅图1所示，为栓接结合部结构示意图。其中，I为上试件，2为结合部接触单元，3为下试件。
[0028]下面结合图2、图3，图4进一步阐明本发明。
[0029]其中，LI为总长度，L2为凸台长度，D为宽度，Hl为总高度，H2为凸台高度，d为螺栓孔直径。
[0030](I)参数化建模模块，基于ANSYS 二次开发，利用体命令生成立方体和圆柱结构；采用布尔减运算和粘结操作生成栓接结合部模型；输入参数包括栓接结合部结构参数(总长度、凸台长度宽度、总高度、凸台高度、螺栓孔直径)、载荷参数(施加载荷面积、载荷大小);选择参数包括材料(QT-235、QT250)、加工方法(铣削、磨削)、加工粗糙度值(0.4、
0.6,0.8、1.2、1.6);设置完成后，自动生成有限元网格模型。
[0031](2)结合面普通建模模块，基于ANSYS 二次开发，建立目标面单元为TARGE170单元，接触面单元为C0NTA174单元，设定柔-柔面接触，初始接触为绑定。
[0032](3)施加边界条件模块，基于ANSYS 二次开发，自动根据输入载荷参数，采用坐标位置拾取命令确定边界条件施加区域，载荷施加区域和载荷值。
[0033](4)静力分析模块，选择结构静力分析，程序自动进行静力分析计算，利用循环命令提取结合面节点及对应的压强，并且以文本和图片形式展示。
[0034](5)接触刚度阻尼计算模块，程序自动通过提取的结合节点及对应压强结合选择的材料、加工方法、粗糙度自动计算各节点对应的接触刚度和阻尼值，以数组形式保存。
[0035](6)结合面模型重建模块(参看图1所示)，利用APDL语言删除原有结合面接触单元，根据计算的接触刚度和阻尼值，通过MATRIX27单元创建各节点对应的结合面结合面接触刚度和接触阻尼单元。
[0036](7)动态特性分析模块,设置分析类型,包括模态分析和谐响应分析,模态分析后处理中输出模态频率和模态振型图；谐响应分析中还需要进一步定义求解方法和载荷步选项，后处理中输出关键点频响函数图。
[0037]用户可以通过改变尺寸大小、载荷大小，选则材料、接触面接加工方法和粗糙度，分析材料属性、接触面加工质量、外部载荷对栓接结合部动态特性的影响。
[0038]所述的参数化建模，系统根据用户输入的结构参数，修改已有的参数化设计语言命令流，生成栓接结合部模型，然后自动进行网格划分。
[0039]所述的油垫结合面建模，系统根据输入的油垫参数，采用Do-Loop循环生成各油垫自身几何中心节点及油垫平面，并循环生成支承油垫结合面和预紧油垫结合面。
[0040]所述的边界条件，系统根据输入的边界条件参数，修改APDL命令流，自动加载边界条件。
[0041]所述的接触刚度和阻尼计算，系统根据选择的材料、加工方法、粗糙度和静力分析获得的节点压强自动计算各节点对应的接触刚度和接触阻尼。
[0042]所述的动态特性分析，包括模态分析和谐响应分析，得到栓接结合部固有频率、主振型和关键点频响函数。
[0043]系统结合面模型重建模块中使用自定义矩阵单元matriX27构建结合面刚度和阻尼单元。在ANSYS程序中matrix27单元可以代表一种任意单元。该单元由两个节点和系数矩阵定义。图4是MATRIX27几何示意图。其中每个节点有6个自由度，分别是沿节点坐标系x、y、z方向的平动和绕节点坐标系x、y、z方向的转动。该单元的几何特性无定义，但其弹性运动学响应可用刚度、阻尼或者质量系数来指定，即刚度、阻尼和质量矩阵中的常数可以作为单元的实常数输入。图6是MATRIX27矩阵单元系数示意图。在模拟等效刚度单元时，C1, C58, C7模拟X方向的的刚度，C18, C64, C19模拟Y方向的刚度，C24, C69, C60模拟Z方向的刚度。在模拟等效阻尼单元时，C1,C58,C7模拟X方向的阻尼，C13、C64、C19模拟Y方向的阻尼，C24, C69, C60模拟Z方向的阻尼。
【权利要求】
1.一种考虑表面加工质量的栓接结合部动态特性分析方法，包括:参数化建模、结合面普通建模、施加边界条件、静力分析、接触刚度阻尼计算、结合面模型重建、结合面刚度阻尼建模、动态特性分析步骤；其特征在于: 所述的参数化建模步骤，利用体命令生成立方体和圆柱结构；采用布尔减运算和粘结操作生成栓接结合部模型；生成实体模型后，采用线网格控制命令和网格扫略命令，生成有限元网格模型；建模过程中，利用APDL语言定义模型参数化变量，生成参数化模型； 所述的合面普通建模步骤，通过参数化设计语言建立栓接结合面初始绑定模型。目标面单元为TARGE170单元，接触面单元为C0NTA174单元进行柔-柔面接触； 所述的施加边界条件步骤，包括栓接结合部约束位置、载荷施加位置、载荷形式、载荷大小、载荷方向；其中载荷施加位置和载荷大小定义为输入变量； 所述的静力分析步骤，首先设置分析类型为结构静力分析，设置求解内容，进行求解；通过选择接触单元，选择单元所有节点，通过循环命令，以数组格式按照从小到大顺序提取各自节点编号及对应的压强值； 所述的接触刚度阻尼计算步骤，根据提取的结合面节点压强值，通过分形接触刚度和接触阻尼模型求取结合面节点接触刚度和接触阻尼值，以数组形式保存； 所述的结合面模型重建，通过单元删除命令删除结合面普通建模步骤中建立的接触模型，通过循环命令创建自定义矩阵单元，设定单元编号，将接触刚度阻尼计算步骤获得的节点刚度和阻尼值赋值给单元实常数，生成接触刚度和接触阻尼单元，按照节点编号从小到大顺序建立结合面接触刚度和阻尼单元； 所述动态特性分析步骤，设置分析类型，包括模态分析、谐响应分析；模态分析后处理中输出固有频率及主振形；谐响应分析后处理中输出关键点频响函数图。根据上述结果，用户可以分析接触面机加工方法和加工粗糙度对栓接结合部动态特性的影响。
2.根据权利要求1所述的一种考虑表面加工质量的栓接结合部动态特性分析方法，其特征在于:通过输入载荷值、选择材料、选择接触面加工方法和加工粗糙度可进行栓接结合部动态特性分析。
3.根据权利要求1所述的一种考虑表面加工质量的栓接结合部动态特性分析方法，其特征在于:进行静力分析提取各节点压强，通过压强计算各节点接触刚度和阻尼，通过MATRIX27建立结合面接触单元用于栓接结合部动态特性分析。
【文档编号】G06F17/50GK104166747SQ201410178375
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】王建华, 张杭, 张永胜 申请人:北京工业大学