一种用于复杂连接结构非线性分析的螺栓预紧力施加方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种螺栓预紧力施加方法，特别是设及一种复杂连接结构非线性分析 的螺栓预紧力施加方法。
【背景技术】
[0002] 为了改善关键部位连接螺栓的疲劳性能和防止螺栓松动，需要对螺栓施加预紧 力。在传统仿真分析中，螺栓预紧力施加方法是在螺栓中部将螺栓截断，再施加预紧力，采 用非线性迭代算法分两步计算计算，第1步施加约束和接触并在螺栓断面施加预紧力，W获 得螺栓的轴向预紧力位移，第2步则再在螺栓断面施加第1步计算得到的螺栓轴向预紧力位 移δ和外载，见说明书附图1所示。
[0003] 传统的螺栓预紧力施加方法不仅分析步骤多，而且每个载荷工况均需计算一次预 紧力螺栓的轴向预紧力位移，由于目前非线性分析均采用迭代算法，导致计算周期长，同时 模型较难收敛;在研制周期较为紧张的情况下，急需一种方便快捷的螺栓预紧力施加方法， 满足工程实际应用需要。
【发明内容】
[0004] 针对传统的螺栓预紧力施加方法存在计算周期长、计算步骤多等不足，本发明建 立一种新的螺栓预紧力施加方法，有效缩短复杂连接结构的非线性分析周期，提高分析收 敛性。
[0005] 本发明采取的技术方案为，一种用于复杂连接结构非线性分析的螺栓预紧力施 加方法，本方法包括了 W下步骤：
[0006] 步骤1:将螺栓预紧力力矩转换为螺栓轴向力；
[0007] 步骤2:简化预紧力螺栓加载形式；
[000引对螺栓和夹层受载方式进行工程等效简化，将螺栓和夹层简化为两根串联的不同 截面面积的杆，确定螺栓预紧力位移的等效加载方式；
[0009] 步骤3:螺栓轴向预紧力位移计算
[0010] 螺栓的位移为：
（1)
[00"]夹层的位移为：
巧
[0012] 公式（1)、（2)中，El为螺栓材料的弹性模量、Ε2螺栓夹层材料的弹性模量，Ai为螺栓 光杆面积，A2为螺栓夹层的有效受力面积，Ae、Ee分别为考虑禪合后的面积和弹性模量；
[0013] 根据上面的原理，对多组不同预紧力、螺栓及夹层刚度下螺栓轴向预紧力位移数 据进行拟合，得到螺栓轴向预紧力位移公式为：
[0014] δ=Α · {B}+D (3)
[0015] (B} = {b〇 bi b2 b3 b4}T (4)
[0016]
(5)
[0017] D= [9.8701 175.6836 105.6444 -0.6768 -12.6924]τ · (bo bi b2 b3 b4}
[0018] 公式(5)中矩阵[P]、{C}为
[0046] 公式(6)~（17)中，R为螺栓头半径，r为螺栓光杆半径；
[0047] 步骤4:将预紧力螺栓在任意一处截断，建立两个截面及其截面中点的约束关系， 中点1与截面1、中点2与截面2间分别采用MPC(多点约束)连接，中点与截面间约束其平动 和转动，即Ux/Uy AJz和Rx/Ry/Rz;再用MPC将中点1、中点2、加载点3连接，约束关系为：
[004引化X-化广化χ = 0 (18)
[0049] Uiz-U2z = 0 (19)
[0050] Uiy-U巧=0 (20)
[0051] 步骤5:将计算螺栓预紧力位移δ施加到加载点3上，同时施加外载进行非线性分析
[0052] 有益技术效果:本方法具有W下优点：
[0053] 1)可W有效的减少分析步骤，缩短计算周期
[0054] a)采用本方法对复杂连接结构进行非线性分析，只有1个载荷步;螺栓位移和外载 同时施加;而采用传统的预紧力施加方法有2个载荷步，第1步计算预紧力螺栓的轴向位移， 第2步施加外载。
[0055] b)对于多载荷工况的模型，采用传统的预紧力施加方法，对每个载荷工况都需重 复计算一次预紧力螺栓的轴向位移;而采用本方法，预紧力螺栓的轴向位移只需计算一次， 可W大大缩短计算周期。
[0056] 因此采用本方法进行非线性分析，不但减少了分析步骤，缩短了计算周期，还大大 的提高了工作效率。
[0057] 2)提高非线性分析的收敛度
[0058] 采用传统的螺栓预紧力施加方法，对于复杂连接的结构，在模型中有大量的连接 螺栓，在进行第1步计算时（即计算螺栓的轴向位移阶段），会出现计算不收敛的情况;采用 本方法，提高了分析的收敛度。
[0059] 3)采用本方法的分析结果真实可靠
[0060] 采用本方法得到的分析结果，与采用传统的预紧力施加方法的分析结果进行对 比，相同模型相同部位的最大主应力值误差在5% W内，因此采用本方法复杂连接结构的非 线性分析的分析结果是真实可靠的。
【附图说明】
[0061] 图1现有技术螺栓轴向预紧力位移示意图；
[0062] 图2螺栓预紧力施加方法流程图；
[0063] 图3预紧力螺栓加载示意图；
[0064] 图4螺栓和夹层等效加载形式。
[00 化]
【具体实施方式】
[0066] 下面结合具体实施例对本方法作详细说明：
[0067] 1)将螺栓预紧力力矩转换为螺栓轴向力。
[0068] 2)预紧力螺栓加载形式简化
[0069] 预紧力螺栓加载形式见图2,对螺栓和夹层受载方式进行工程等效简化，将螺栓和 夹层简化为两根串联的不同截面面积的杆，确定螺栓预紧力位移的等效加载方式见图3。
[0070] 3)螺栓轴向预紧力位移计算
[0071] 根据图4,螺栓的位移为：
（1)
[0072] 夹层的位移为：
（2)
[0073] 公式（1)、（2)和图4中，El为螺栓材料的弹性模量、E2螺栓夹层材料的弹性模量，Ai 为螺栓光杆面积，A2为螺栓夹层的有效受力面积，Ac、Ec分别为考虑禪合后的面积和弹性模 量。
[0074] 根据上面的原理，对多组不同预紧力、螺栓及夹层刚度下螺栓轴向预紧力位移数 据进行拟合，得到螺栓轴向预紧力位移公式为：
[0075] δ=Α · {B}+D (3)
[0076] {B} = {bo bi b2 b3 b4}T (4)
[0077]
(5)
[007引 D= [9.8701 175.6836 105.6444 -0.6768 -12.6924]T · (bo bi b2 b3 b4}
[0079]公式(5)中矩阵[P]、{C}为
[0107] 公式(6)~（17)中，R为螺栓头半径，r为螺栓光杆半径；
[0108] 4)将预紧力螺栓在某处截断，如图4所示，建立两个截面及其截面中点的约束关 系，中点1与截面1、中点2与截面2间分别采用MPC(多点约束)连接，中点与截面间约束其平 动和转动，即Ux/Uy AJz和Rx/Ry/Rz;再用MPC将中点1、中点2、加载点3连接，约束关系为：
[0109] 化X-化广化x = 0 (18)
[0110] Uiz-U2z = 0 (19)
[0111] Uiy-U巧=0 (20)
[0112] 5)将计算螺栓预紧力位移δ施加到加载点3上，同时施加外载进行非线性分析。
[0113] 本方法作为一种用于复杂连接结构非线性分析的螺栓预紧力施加方法，是在传 统的螺栓预紧力施加方法基础上进行改进得到的，实现了复杂连接结构的非线性分析的简 化，有效的缩短计算周期，提高工作效率。
【主权项】
1. 一种用于复杂连接结构非线性分析的螺栓预紧力施加方法，其特征在于包括以下步 骤： 步骤1:将螺栓预紧力力矩转换为螺栓轴向力； 步骤2:简化预紧力螺栓加载形式； 对螺栓和夹层受载方式进行工程等效简化，将螺栓和夹层简化为两根串联的不同截面 面积的杆，确定螺栓预紧力位移的等效加载方式； 步骤3:螺栓轴向预紧力位移计算 螺栓的位移为夹层的位移为公式（1 )、（2)中，Ει为螺栓材料的弹性模量、E2螺栓夹层材料的弹性模量，Αι为螺栓光杆 面积，知为螺栓夹层的有效受力面积，AC、EC分别为考虑耦合后的面积和弹性模量； 根据上面的原理，对多组不同预紧力、螺栓及夹层刚度下螺栓轴向预紧力位移数据进 行拟合，得到螺栓轴向预紧力位移公式为：c〇 = L/r (11) ci = R/r (12) C2= (R~r)/r (13) C3 = L/R (14) C4 = L/ (R-r) (15) C5 = t/ (R-r) (16) C6 = t/L (17) 公式(6)~（17)中，R为螺栓头半径，:r为螺栓光杆半径； 步骤4:将预紧力螺栓在任意一处截断，建立两个截面及其截面中点的约束关系，中点1 与截面1、中点2与截面2间分别采用MPC(多点约束)连接，中点与截面间约束其平动和转动， 即Ux/Uy/Uz和Rx/Ry/Rz;再用MPC将中点1、中点2、加载点3连接，约束关系为： Uix-U2x-U3x=0 (18) Uiz-U2z = 0 (19) Uiy-U2y = 0 (20) 步骤5:将计算螺栓预紧力位移δ施加到加载点3上，同时施加外载进行非线性分析。
【专利摘要】本发明涉及一种复杂连接结构非线性分析的螺栓预紧力施加方法，包括以下步骤，步骤1：将螺栓预紧力力矩转换为螺栓轴向力；步骤2：简化预紧力螺栓加载形式；步骤3：螺栓轴向预紧力位移计算；步骤4：将预紧力螺栓在任意一处截断，建立两个截面及其截面中点的约束关系，中点1与截面1、中点2与截面2间分别采用MPC(多点约束)连接，中点与截面间约束其平动和转动，即Ux/Uy/Uz和Rx/Ry/Rz；再用MPC将中点1、中点2、加载点3连接。本方法作为一种用于复杂连接结构非线性分析的螺栓预紧力施加方法，是在传统的螺栓预紧力施加方法基础上进行改进得到的，实现了复杂连接结构的非线性分析的简化，有效的缩短计算周期，提高工作效率。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105447263
【申请号】CN201510925889
【发明人】叶建飞, 王凡, 钟贵勇, 裴鹤, 舒茂盛, 罗亨存
【申请人】中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年12月14日