一种螺栓的有限元分析方法及强度评估方法
【专利摘要】本发明涉及一种螺栓的有限元分析方法及强度评估方法，可用于复杂结构、复杂载荷下大量螺栓的快速建模和强度评估，属于螺栓强度评估【技术领域】。读取螺栓应力的有限元分析结果；在螺杆中部建立平行于螺帽的截面，提取不同载荷步下截面上的拉力、弯矩；以螺杆拉力为横坐标，以螺杆弯矩为纵坐标，做曲线图；随着螺栓拉力增大，螺栓弯矩达到峰值；螺栓力继续增大，螺栓弯矩开始下降，表明螺栓进入屈服；随着螺栓拉力进一步增大，螺栓弯矩降低到峰值一半时，表明螺栓达到强度极限。采用有限元方法计算螺栓应力，并建立螺栓强度判据，提高了螺栓强度计算的精度。
【专利说明】一种螺栓的有限元分析方法及强度评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种螺栓的有限元分析方法及强度评估方法，可用于复杂结构、复杂 载荷下大量螺栓的快速建模和强度评估，属于螺栓强度评估【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 螺栓被广泛使用到多型运载火箭，螺栓强度评估是一项重要的工作。传统分析采 用工程算法，能快速估计螺栓强度，但精度较低：螺栓力分析具有较强的非线性效应，被连 接件变形导致的接触面支点变化对螺栓力具有决定性的影响，这一点工程算法无法考虑； 另外，复杂结构、复杂载荷下传力路径很复杂，工程算法很难做出合理假设。有限元方法能 获得较真实的传力路径及各螺栓承力分布，也可以较准确的模拟接触面非线性效应，具有 较高精度；但是，大量螺栓强度评估的工作量极大，耗费了设计人员大量时间、很大程度上 影响研制进程。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出一种螺栓的有限元分析方法 及强度评估方法。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0005] 本发明的一种螺栓的有限元分析方法，步骤为：
[0006] 1)对螺栓建立有限元模型，有限元模型中所使用的参数为螺栓的材料属性和螺栓 的几何尺寸；
[0007] 所述的螺栓的材料属性是指螺栓材料的弹性模量、泊松比、屈服应力、极限强度和 断后伸长率；
[0008] 所述的螺栓的几何尺寸参数，是指螺杆的直径R和长度L、螺钉头的直径&和厚度 h，螺帽的直径R2和厚度t2 ;
[0009] 2)对法兰建立有限元模型，有限元模型中所使用的参数为法兰的材料属性和法兰 的几何尺寸；
[0010] 所述的法兰的材料属性是指法兰材料的弹性模量、泊松比、屈服应力、极限强度和 断后伸长率；
[0011] 所述的法兰的几何尺寸参数，是指法兰的外径r、宽度w、厚度t，高度h、筒壁厚度 d、螺孔直径R'、螺孔到筒壁距离D;
[0012] 3)将步骤1)中建立的螺栓模型、步骤2)中建立的法兰模型进行装配，得到装配模 型；
[0013] 4)采用有限元工具对步骤3)得到的装配模型进行接触关系设定，法兰的对接面 设为接触关系，螺帽与法兰之间设为接触关系，螺杆与螺孔之间设为接触关系。
[0014] 5)采用有限元工具对步骤3)得到的装配模型进行单元划分，得到单元模型，六面 体单元均采用非协调元，四面体单元均采用二阶修正单元；
[0015] 进行单元划分时要求螺杆和螺孔的周向单元数目相同，且单元数目不少于8个； 要求法兰厚度方向的单元数目不少于2个，螺杆长度方向的单元数目为奇数，且不少于5 个。
[0016] 6)采用有限元工具在单元模型上施加边界条件和载荷，然后用有限元工具对单元 模型进行应力分析，得到螺栓应力的有限元分析结果。
[0017] 本发明的一种螺栓的强度评估方法，步骤为：
[0018] 1)读取螺栓应力的有限元分析结果；
[0019] 2)在螺杆中部建立平行于螺帽的截面，提取不同载荷步下截面上的拉力、弯矩；
[0020] 3)以螺杆拉力为横坐标，以螺杆弯矩为纵坐标，做曲线图；
[0021] 4)随着螺栓拉力增大，螺栓弯矩达到峰值；螺栓力继续增大，螺栓弯矩开始下降， 表明螺栓进入屈服；随着螺栓拉力进一步增大，螺栓弯矩降低到峰值一半时，表明螺栓达到 强度极限。
[0022] 有益效果
[0023] 采用有限元方法计算螺栓应力，并建立螺栓强度判据，提高了螺栓强度计算的精 度。
【专利附图】
【附图说明】： 图1为螺栓的几何参数的示意图； 图2为法兰的几何参数的示意图； 图3为法兰的结构示意图； 图4为以螺杆拉力为横坐标，以螺杆弯矩为纵坐标的曲线图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合实施例对本发明做进一步说明。
[0025] 实施例
[0026] 1)对螺栓建立有限元模型，模型中包括螺栓的材料性能和几何尺寸。
[0027] 螺栓材料为30CrMnSiA，弹性模量为200GP、泊松比为0· 3、屈服应力为735MPa、极 限强度为1030MPa，断后伸长率为10% ;
[0028] 螺栓的几何参数如附图1所示，参数值为：螺杆直径R为8mm、长度L为12mm、螺钉 头直径札为12mm、厚度为3mm、螺帽直径R 2为12mm、厚度t2为3mm ;
[0029] 2)对法兰建立有限元模型，模型中包括法兰的材料性能和几何尺寸。
[0030] 法兰材料为30CrMnSiA，弹性模量为200GP、泊松比为0· 3、屈服应力为735MPa、极 限强度为1030MPa，断后伸长率为10% ;
[0031] 法兰的几何参数如附图2所示，参数值为：法兰的外直径r为2000mm、厚度t为 6mm、宽度w为60mm，高度h为60mm、筒壁厚度d为10mm、螺孔直径V为9mm、螺孔到筒壁距 离 D 为 18. 5mm ;
[0032] 3)将步骤1)中建立的螺栓模型、步骤2)中建立的两个法兰模型进行装配，法兰通 过螺栓连接，得到装配模型；
[0033] 4)设定法兰之间、法兰和螺栓之间的接触关系，两个法兰的对接面设为接触关系， 螺帽与法兰之间设为接触关系，螺杆与螺孔之间设为接触关系；
[0034] 5)采用有限元工具对步骤3)得到的装配模型进行单元划分，螺杆的周向单元数 目为20个、长度方向单元数目为9个，螺孔的周向单元数目为16个，法兰厚度方向单元数 目为2个，均采用六面体非协调元，得到单元模型；
[0035] 6)采用有限元工具在单元模型上施加边界条件和载荷，固定约束一个法兰的端 部，在另一个法兰端部施加轴向拉力，然后用有限元工具进行应力分析，得到螺栓应力的有 限元分析结果。
[0036] 7)读取螺栓应力的有限元分析结果，进行螺栓强度评判；
[0037] 8)在螺杆中部建立平行于螺帽的截面，提取不同载荷步下截面上的拉力、弯矩； 以螺杆拉力为横坐标，以螺杆弯矩为纵坐标，做曲线图如图4所示；
[0038] 9)随着螺栓拉力增大，螺栓弯矩达到峰值33. 8kN ;螺栓力继续增大，螺栓弯矩 开始下降，表明螺栓开始进入屈服；随着螺栓拉力进一步增大到47. 8kN，螺栓弯矩降低到 17. IN.m，表明螺栓达到强度极限。
【权利要求】
1. 一种螺栓的有限元分析方法，其特征在于步骤为： 1) 对螺栓建立有限元模型，有限元模型中所使用的参数为螺栓的材料属性和螺栓的几 何尺寸； 所述的螺栓的材料属性是指螺栓材料的弹性模量、泊松比、屈服应力、极限强度和断后 伸长率； 所述的螺栓的几何尺寸参数包括螺杆的直径和长度、螺钉头的直径和厚度，螺帽的直 径和厚度； 2) 对法兰建立有限元模型，有限元模型中所使用的参数为法兰的材料属性和法兰的几 何尺寸； 所述的法兰的材料属性是指法兰材料的弹性模量、泊松比、屈服应力、极限强度和断后 伸长率； 所述的法兰的几何尺寸参数包括法兰的外径、宽度、厚度，高度、筒壁厚度、螺孔直径、 螺孔到筒壁距离； 3) 将步骤1)中建立的螺栓模型、步骤2)中建立的法兰模型进行装配，得到装配模型； 4) 采用有限元工具对步骤3)得到的装配模型进行接触关系设定，法兰的对接面设为 接触关系，螺帽与法兰之间设为接触关系，螺杆与螺孔之间设为接触关系； 5) 采用有限元工具对步骤3)得到的装配模型进行单元划分，得到单元模型，六面体单 元均采用非协调元，四面体单元均采用二阶修正单元； 进行单元划分时要求螺杆和螺孔的周向单元数目相同，且单元数目不少于8个；要求 法兰厚度方向的单元数目不少于2个，螺杆长度方向的单元数目为奇数，且不少于5个； 6) 采用有限元工具在单元模型上施加边界条件和载荷，然后用有限元工具对单元模型 进行应力分析，得到螺栓应力的有限元分析结果。
2. -种螺栓的强度评估方法，其特征在于步骤为： 1) 读取螺栓应力的有限元分析结果； 2) 在螺杆中部建立平行于螺帽的截面，提取不同载荷步下截面上的拉力、弯矩； 3) 以螺杆拉力为横坐标，以螺杆弯矩为纵坐标，做曲线图； 4) 随着螺栓拉力增大，螺栓弯矩达到峰值；螺栓力继续增大，螺栓弯矩开始下降，表明 螺栓进入屈服；随着螺栓拉力进一步增大，螺栓弯矩降低到峰值一半时，表明螺栓达到强度 极限。
【文档编号】G06F17/50GK104156498SQ201410225425
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年5月26日 优先权日:2014年5月26日
【发明者】章凌, 张希, 王斌, 杨帆, 李林生, 袁彪 申请人:北京宇航系统工程研究所, 中国运载火箭技术研究院