一种螺栓连接的有限元高精度简化建模方法及系统与流程

本发明属于紧固件强度校核领域，尤其涉及一种螺栓连接的有限元高精度简化建模方法及系统。

背景技术：

螺栓连接是目前各类机械结构的主要连接方式和薄弱环节。现代机械结构连接的方式有螺栓连接、焊接和胶结等，其中螺栓连接由于具备成本低、易拆卸和连接可靠等优点，成为各类机械主要的连接方式。由于螺栓连接设计、安装和维护不当，造成设备损毁和人员伤亡的事故屡见不鲜。在工程设计中，一般采用有限元建模计算方法对螺栓连接(包括螺栓和被连接结构)进行强度校核。由于一般机械结构采用数量庞大的螺栓进行连接，现有的有限元建模和计算水平难以支撑螺栓连接高精度、无简化的建模分析，因此螺栓连接的有限元高精度、高效率的简化建模分析方法对机械结构设计校核具有重要意义。

现有螺栓连接的有限元简化建模方法主要有两种，第一种是将螺栓简化为一个梁单元，梁单元的两个节点分别与两个被连接件的部分单元节点用刚性约束单元连接。这种简化方法由于采用了刚性约束单元连接螺栓和被连接件，因此无法描述螺栓和被连接件之间的力学特性，降低了螺栓连接的有限元简化建模方法的分析精度。

第二种是将螺栓简化为一个弹簧阻尼单点单元，作为螺栓自身力学特性、螺栓和被连接件之间力学特性的综合等效方式。这种简化方法试图将各种非线性因素一同进行简化，忽略了螺栓和被连接件的空间位置和尺寸，因此降低了螺栓连接的有限元简化建模方法的分析精度。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种螺栓连接的有限元简化建模方法及系统，将螺栓简化为一个梁单元，梁单元的两个节点分别与两个被连接件的部分单元节点用弹簧阻尼单元连接，可以准确模拟螺栓和被连接件之间的力学特性，并且考虑了螺栓和被连接件的空间位置和尺寸，提高了螺栓连接的有限元简化建模方法的分析精度。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，一种螺栓连接的有限元高精度简化建模方法，所述方法包括如下步骤：(1)建立第一被连接件和第二被连接件的有限元模型；(2)以第一接触区域的圆心和第二接触区域的圆心为节点，建立代表螺栓的梁单元；(3)在第一梁单元节点与第一接触区域的节点之间、第二梁单元节点与第二接触区域的节点之间建立若干弹簧阻尼单元；(4)将弹簧阻尼单元分组，每组赋予同一个刚度值和同一个阻尼值。

上述螺栓连接的有限元高精度简化建模方法中，在步骤(1)中，建立第一被连接件和第二被连接件的有限元模型包括如下步骤：第一被连接件与螺栓的第一接触区域为圆环，第二被连接件与螺栓的第二接触区域为圆环，建立第一接触区域和第二接触区域内第一被连接件和第二被连接件的有限元模型，在第一接触区域有均匀分布的第一节点，在第二接触区域内有均匀分布的第二节点；建立第一接触区域和第二接触区域外第一被连接件和第二被连接件的有限元模型。

上述螺栓连接的有限元高精度简化建模方法中，在步骤(2)中，以第一接触区域的圆心和第二接触区域的圆心为节点，建立代表螺栓的梁单元包括如下步骤：在第一接触区域的圆心处建立第一梁单元节点，在第二接触区域的圆心处建立第二梁单元节点；在第一梁单元节点和第二梁单元节点间建立梁单元；赋予梁单元圆形截面属性，其直径值与螺栓有效直径一致。

上述螺栓连接的有限元高精度简化建模方法中，在步骤(3)中，建立若干弹簧阻尼单元包括如下步骤：第一梁单元节点与第一接触区域的每一第一节点建立一个弹簧阻尼单元，形成第一组弹簧阻尼单元；第二梁单元节点与第二接触区域的每一第二节点建立一个弹簧阻尼单元，形成第二组弹簧阻尼单元。

上述螺栓连接的有限元高精度简化建模方法中，在步骤(4)中，将弹簧阻尼单元分组，每组赋予同一个刚度值和同一个阻尼值包括如下步骤：将第一组弹簧阻尼单元根据其与第一梁单元节点的距离等分为三组，由近及远分别为第三组弹簧阻尼单元、第四组弹簧阻尼单元和第五组弹簧阻尼单元；将第二组弹簧阻尼单元根据其与第二梁单元节点的距离等分为三组，由近及远分别为第六组弹簧阻尼单元、第七组弹簧阻尼单元和第八组弹簧阻尼单元；对上述每组弹簧阻尼单元赋予同一个刚度值和同一个阻尼值。

根据本发明的另一方面，提供了一种螺栓连接的有限元高精度简化建模系统，包括：第一模块，用于建立第一被连接件和第二被连接件的有限元模型；第二模块，用于以第一接触区域的圆心和第二接触区域的圆心为节点，建立代表螺栓的梁单元；第三模块，用于在第一梁单元节点与第一接触区域的节点之间、第二梁单元节点与第二接触区域的节点之间建立若干弹簧阻尼单元；第四模块，用于将弹簧阻尼单元分组，每组赋予同一个刚度值和同一个阻尼值。

上述螺栓连接的有限元高精度简化建模系统中，建立第一被连接件和第二被连接件的有限元模型包括如下步骤：第一被连接件与螺栓的第一接触区域为圆环，第二被连接件与螺栓的第二接触区域为圆环，建立第一接触区域和第二接触区域内第一被连接件和第二被连接件的有限元模型，在第一接触区域有均匀分布的第一节点，在第二接触区域内有均匀分布的第二节点；建立第一接触区域和第二接触区域外第一被连接件和第二被连接件的有限元模型。

上述螺栓连接的有限元高精度简化建模系统中，以第一接触区域的圆心和第二接触区域的圆心为节点，建立代表螺栓的梁单元包括如下步骤：在第一接触区域的圆心处建立第一梁单元节点，在第二接触区域的圆心处建立第二梁单元节点；在第一梁单元节点和第二梁单元节点间建立梁单元；赋予梁单元圆形截面属性，其直径值与螺栓有效直径一致。

上述螺栓连接的有限元高精度简化建模系统中，建立若干弹簧阻尼单元包括如下步骤：第一梁单元节点与第一接触区域的每一第一节点建立一个弹簧阻尼单元，形成第一组弹簧阻尼单元；第二梁单元节点与第二接触区域的每一第二节点建立一个弹簧阻尼单元，形成第二组弹簧阻尼单元。

上述螺栓连接的有限元高精度简化建模系统中，将弹簧阻尼单元分组，每组赋予同一个刚度值和同一个阻尼值包括如下步骤：将第一组弹簧阻尼单元根据其与第一梁单元节点的距离等分为三组，由近及远分别为第三组弹簧阻尼单元、第四组弹簧阻尼单元和第五组弹簧阻尼单元；将第二组弹簧阻尼单元根据其与第二梁单元节点的距离等分为三组，由近及远分别为第六组弹簧阻尼单元、第七组弹簧阻尼单元和第八组弹簧阻尼单元；对上述每组弹簧阻尼单元赋予同一个刚度值和同一个阻尼值。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明采用弹簧阻尼单元能够准确模拟螺栓和被连接件之间的力学特性，使螺栓连接的有限元简化模型能够真实模拟连接结构在静力和振动环境下的响应，从而实现对螺栓连接的高精度、高效率强度计算分析。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的螺栓连接的有限元高精度简化建模方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的被连接件的有限元模型图；

图3是本发明实施例提供的代表螺栓的梁单元图；

图4是本发明实施例提供的梁单元和被连接件之间的弹簧阻尼单元图；

图5是本发明实施例提供的弹簧阻尼单元分组图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，该螺栓连接的有限元简化建模方法，包括被连接件建模、螺栓建模、弹簧阻尼单元建模、弹簧阻尼单元属性赋予等四大步骤：

(1)如图2所示，建立第一被连接件1和第二被连接件2的有限元模型，具体步骤如下：

(1a)第一被连接件1与螺栓的第一接触区域3为圆环，第二被连接件2与螺栓的第二接触区域4为圆环，建立第一接触区域3和第二接触区域4内第一被连接件1和第二被连接件2的有限元模型，在第一接触区域3有足够多的均匀分布的第一节点51，在第二接触区域4内有足够多的均匀分布的第二节点52；

(1b)建立第一接触区域3和第二接触区域4外第一被连接件1和第二被连接件2的有限元模型。

(2)如图3所示，建立代表螺栓的梁单元，具体步骤如下：

(2a)在第一接触区域3的圆心处建立第一梁单元节点6，在第二接触区域4的圆心处建立第二梁单元节点7；

(2b)在第一梁单元节点6和第二梁单元节点7间建立梁单元8；

(2c)因为一般螺栓为圆形截面，所以同样赋予梁单元8圆形截面属性，其直径值与螺栓有效直径一致。

(3)如图4所示，在梁单元和被连接件之间建立两组弹簧阻尼单元，具体步骤如下：

(3a)第一梁单元节点6与第一接触区域3的每一第一节点51建立一个弹簧阻尼单元，形成第一组弹簧阻尼单元9；

(3b)第二梁单元节点7与第二接触区域4的每一第二节点52建立一个弹簧阻尼单元，形成第二组弹簧阻尼单元10；

(4)如图5所示，将弹簧阻尼单元进一步分组，赋予每一组弹簧阻尼单元刚度值和阻尼值，步骤如下：

(4a)将第一组弹簧阻尼单元9根据其与第一梁单元节点6的距离等分为三组，由近及远分别为第三组弹簧阻尼单元11、第四组弹簧阻尼单元12和第五组弹簧阻尼单元13；

(4b)将第二组弹簧阻尼单元10根据其与第二梁单元节点7的距离等分为三组，由近及远分别为第六组弹簧阻尼单元14、第七组弹簧阻尼单元15和第八组弹簧阻尼单元16；

(4c)对上述每组弹簧阻尼单元赋予同一个刚度值和同一个阻尼值，每两组弹簧阻尼单元的赋值一般不同，刚度值和阻尼值的获得是通过典型螺栓连接结构的静力和振动试验。

本实施还提供了一种螺栓连接的有限元高精度简化建模系统，包括：第一模块，用于建立第一被连接件1和第二被连接件2的有限元模型；第二模块，用于以第一接触区域3的圆心和第二接触区域4的圆心为节点，建立代表螺栓的梁单元8；第三模块，用于在第一梁单元节点6与第一接触区域3的节点之间、第二梁单元节点7与第二接触区域4的节点之间建立若干弹簧阻尼单元；第四模块，用于将弹簧阻尼单元分组，每组赋予同一个刚度值和同一个阻尼值。

上述实施例中，建立第一被连接件1和第二被连接件2的有限元模型包括如下步骤：

第一被连接件1与螺栓的第一接触区域3为圆环，第二被连接件2与螺栓的第二接触区域4为圆环，建立第一接触区域3和第二接触区域4内第一被连接件1和第二被连接件2的有限元模型，在第一接触区域3有均匀分布的第一节点51，在第二接触区域4内有均匀分布的第二节点52；建立第一接触区域3和第二接触区域4外第一被连接件1和第二被连接件2的有限元模型。

上述实施例中，以第一接触区域3的圆心和第二接触区域4的圆心为节点，建立代表螺栓的梁单元8包括如下步骤：在第一接触区域3的圆心处建立第一梁单元节点6，在第二接触区域4的圆心处建立第二梁单元节点7；在第一梁单元节点6和第二梁单元节点7间建立梁单元8；赋予梁单元8圆形截面属性，其直径值与螺栓有效直径一致。

上述实施例中，建立若干弹簧阻尼单元包括如下步骤：第一梁单元节点6与第一接触区域3的每一第一节点51建立一个弹簧阻尼单元，形成第一组弹簧阻尼单元9；第二梁单元节点7与第二接触区域4的每一第二节点52建立一个弹簧阻尼单元，形成第二组弹簧阻尼单元10。

上述实施例中，将弹簧阻尼单元分组，每组赋予同一个刚度值和同一个阻尼值包括如下步骤：将第一组弹簧阻尼单元9根据其与第一梁单元节点6的距离等分为三组，由近及远分别为第三组弹簧阻尼单元11、第四组弹簧阻尼单元12和第五组弹簧阻尼单元13；将第二组弹簧阻尼单元10根据其与第二梁单元节点7的距离等分为三组，由近及远分别为第六组弹簧阻尼单元14、第七组弹簧阻尼单元15和第八组弹簧阻尼单元16；对上述每组弹簧阻尼单元赋予同一个刚度值和同一个阻尼值。

本实施例将螺栓简化为一个梁单元，梁单元的两个节点分别与两个被连接件的部分单元节点用弹簧阻尼单元连接，可以准确模拟螺栓和被连接件之间的力学特性，并且考虑了螺栓和被连接件的空间位置和尺寸，提高了螺栓连接的有限元简化建模方法的分析精度。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。