随机振动中螺栓的失效评估方法、装置与流程

本发明涉及有限元仿真分析技术领域，具体涉及一种随机振动中螺栓的失效评估方法和一种随机振动中螺栓的失效评估装置。

背景技术：

螺栓作为一种常用的紧固件运用于各类机械产品中。径向松脱是螺栓随机振动中主要的失效形式之一。传统的螺栓失效评估方法主要依靠在振动试验台对样机进行试验。但是试验评估存在成本高，周期长等问题，而且仅仅能够获得一个判断结果，对过程以及规律的研究缺乏支撑，对产品改进设计的指导性较差。

计算机仿真分析在产品设计过程中正在发挥着重大作用，然而，目前常用的随机振动仿真分析方法主要采用模态叠加法，属于线性分析，无法考虑接触状态等非线性问题。螺栓的随机振动分析又必须考虑在预紧力作用下与被连接件的接触作用。因此，如何在考虑预紧力作用下进行螺栓随机振动分析成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明为解决上述技术问题，本发明的第一个目的在于提供一种随机振动中螺栓的失效评估方法，该方法考虑了预紧力与随机振动的耦合作用，将等效外力与螺栓预紧力进行线性叠加分析，可以评估出振动过程中螺栓的残余预紧力，评估结果准确性高，且可以通过仿真手段对螺栓的随机振动过程以及规律进行研究，可以很好地指导产品改进设计。

本发明的第二个目的在于提出了一种随机振动中螺栓的失效评估装置。

本发明采用的技术方案如下：

为达到上述目的，本发明的第一方面实施例提出了一种随机振动中螺栓的失效评估方法，包括以下步骤：进行随机振动力学仿真，以获取螺栓处的最大轴向响应位移u，以及被连接件相对螺栓径向的最大加速度a；进行静力学仿真，以获取所述螺栓处满足所述最大轴向响应位移u下的等效外力；获取螺栓预紧力f0，对所述螺栓施加预紧力f0并进行螺栓预紧力分析；对所述螺栓施加所述等效外力，进行所述静力学仿真分析以获取所述螺栓的残余预紧力f1；根据所述残余预紧力f1计算所述残余预紧力f1作用下所述螺栓与所述被连接件之间的静摩擦力f2；计算所述被连接件在最大加速度a条件下的最大振动力f；根据所述静摩擦力f2和所述最大振动力f进行所述螺栓的失效评估。

根据本发明的一个实施例，根据以下公式(1)计算所述残余预紧力f1作用下所述螺栓与所述被连接件之间的静摩擦力f2：

f2＝f1×μ(1)；

其中，f1为所述残余预紧力，所述f2为所述残余预紧力f1作用下所述螺栓与所述被连接件之间的静摩擦力，μ为所述螺栓与所述被连接件之间接触区域的摩擦系数。

根据本发明的一个实施例，根据以下公式(2)计算所述被连接件在最大加速度a条件下的最大振动力f：

其中，a为所述被连接件相对螺栓径向的最大加速度，f为所述被连接件在最大加速度a条件下的最大振动力，m为所述被连接件总质量，n为与所述被连接件连接的螺栓个数。

根据本发明的一个实施例，根据所述静摩擦力f2和所述最大振动力f进行所述螺栓的失效评估，包括：将所述最大振动力f与静摩擦力f2的预设倍β进行比较，其中，所述β小于1；如果存在f≥β×f2，则判断螺栓松脱；如果存在f＜β×f2，则判断螺栓紧固。

根据本发明的一个实施例，所述β的取值范围为0.8～0.9。

为达到上述目的，本发明的第二方面实施例提出了一种随机振动中螺栓的失效评估装置，包括：第一获取模块，所述第一获取模块用于进行随机振动力学仿真，以获取螺栓处的最大轴向响应位移u，以及被连接件相对螺栓径向的最大加速度a；第二获取模块，所述第二获取模块用于进行静力学仿真，以获取所述螺栓处满足所述最大轴向响应位移u下的等效外力；第一施加模块，所述第一施加模块用于获取螺栓预紧力f0，对所述螺栓施加所述预紧力f0并进行螺栓预紧力分析；第二施加模块，所述第二施加模块用于对所述螺栓施加所述等效外力，进行所述静力学仿真分析以获取所述螺栓的残余预紧力f1；第一计算模块，所述第一计算模块用于根据所述残余预紧力f1计算所述残余预紧力f1作用下所述螺栓与所述被连接件之间的静摩擦力f2；第二计算模块，所述第二计算模块用于计算所述被连接件在最大加速度a条件下的最大振动力f；评估模块，所述评估模块用于根据所述静摩擦力f2和所述最大振动力f进行所述螺栓的失效评估。

根据本发明的一个实施例，所述第一计算模块根据以下公式(1)计算所述残余预紧力f1作用下所述螺栓与所述被连接件之间的静摩擦力f2：

f2＝f1×μ(1)；

其中，f1为所述残余预紧力，所述f2为所述残余预紧力f1作用下所述螺栓与所述被连接件之间的静摩擦力，μ为所述螺栓与所述被连接件之间接触区域的摩擦系数。

根据本发明的一个实施例，所述第二计算模块根据以下公式(2)计算所述被连接件在最大加速度a条件下的最大振动力f：

其中，a为所述被连接件相对螺栓径向的最大加速度，f为所述被连接件在最大加速度a条件下的最大振动力，m为所述被连接件总质量，n为与所述被连接件连接的螺栓个数。

根据本发明的一个实施例，所述评估模块具体用于：将所述最大振动力f与静摩擦力f2的预设倍β进行比较，其中，所述β小于1；如果存在f≥β×f2，则判断螺栓松脱；如果存在f＜β×f2，则判断螺栓紧固。

根据本发明的一个实施例，所述β的取值范围为0.8～0.9。

本发明的有益效果：

(1))本发明主要采用仿真手段，在产品设计阶段进行虚拟评估，可以起到节约研发经费、缩短开发周期、提高产品质量的作用。

(2)本发明考虑了预紧力与随机振动的耦合作用，将等效外力与螺栓预紧力进行线性叠加分析，可以评估出振动过程中螺栓的残余预紧力，评估结果准确性高。

(3)本发明可以通过仿真手段对螺栓的随机振动过程以及规律进行研究，可以很好地指导产品改进设计。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的随机振动中螺栓的失效评估方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的螺栓连接示意图；

图3是根据本发明一个实施例的随机振动中螺栓的失效评估方法的原理示意图；

图4是根据本发明一个实施例的随机振动中螺栓的失效评估装置的方框示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是根据本发明一个实施例的随机振动中螺栓的失效评估方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

s1，进行随机振动力学仿真，以获取螺栓处的最大轴向响应位移u，以及被连接件相对螺栓径向的最大加速度a。

s2，进行静力学仿真，以获取螺栓处满足最大轴向响应位移u下的等效外力。

s3，获取螺栓预紧力f0，对螺栓施加预紧力f0并进行螺栓预紧力分析。

预紧力f0主要与螺栓性能等级、规格等有关，可以通过查询相关手册获得。

s4，对螺栓施加等效外力，进行静力学仿真分析以获取螺栓的残余预紧力f1。

s5，根据残余预紧力f1计算残余预紧力f1作用下螺栓与被连接件之间的静摩擦力f2。

其中，在本发明的一个实施例中，根据以下公式(1)计算残余预紧力f1作用下螺栓与被连接件之间的静摩擦力f2：

f2＝f1×μ(1)；

其中，f1为残余预紧力，f2为残余预紧力f1作用下螺栓与被连接件之间的静摩擦力，μ为螺栓与被连接件之间接触区域的摩擦系数。

s6，计算被连接件在最大加速度a条件下的最大振动力f。

其中，在本发明的一个实施例中，根据以下公式(2)计算被连接件在最大加速度a条件下的最大振动力f：

其中，a为被连接件相对螺栓径向的最大加速度，f为被连接件在最大加速度a条件下的最大振动力，m为被连接件总质量，n为与被连接件连接的螺栓个数。

s7，根据静摩擦力f2和最大振动力f进行螺栓的失效评估。

根据本发明的一个实施例，根据静摩擦力f2和最大振动力f进行螺栓的失效评估，包括：将最大振动力f与静摩擦力f2的预设倍β进行比较，其中，β小于1；如果存在f≥β×f2，则判断螺栓松脱；如果存在f＜β×f2，则判断螺栓紧固。

其中，在本发明的实施例中，β的取值范围为0.8～0.9，例如0.85。

具体的，螺栓连接示意图可参照图2所示，1为被连接件，2为被连接件2，3为螺栓。

如图3所示，通过仿真软件对螺栓进行随机振动分析，得到螺栓处最大轴向位移u，以及被连接件相对螺栓径向方向的最大加速度a。对产品进行静力学分析，在螺栓轴端一侧施加等效外力使得螺栓的轴向位移等于最大轴向位移u。对产品进行静力学分析，通过螺栓性能等级、规格等有关参数，查询适合加载的螺栓预紧力f0，计算施加预紧力f0时的产品仿真结果。将此基础上，在螺栓轴端一侧施加前述步骤中得到的等效外力，计算得到螺栓的残余预紧力f1。依据公式f2＝f1×μ计算螺栓与被连接件之间的静摩擦力f2，其中μ为螺栓与被连接件之间接触区域的摩擦系数。通过公式f＝a×m，计算在最大加速度a条件下的最大振动力f。最后，将f与β×f2进行比较，当f≥1.3×f2时判定螺栓松脱，反之判定螺栓紧固。

由此，该方法考虑了预紧力与随机振动的耦合作用，将等效外力与螺栓预紧力进行线性叠加分析，可以评估出振动过程中螺栓的残余预紧力，评估结果准确性高，且可以通过仿真手段对螺栓的随机振动过程以及规律的进行部分研究，可以很好地指导产品改进设计。

在本发明中，螺栓处的最大轴向响应位移u以及被连接件相对螺栓径向的最大加速度a，皆为3σ条件下的最大值。且上述的失效评估方法不涉及螺栓的材料非线性。随机振动力学仿真和静力学仿真可在abaqus等软件中进行。

综上所述，根据本发明实施例的随机振动中螺栓的失效评估方法，进行随机振动力学仿真，以获取螺栓处的最大轴向响应位移u，以及被连接件相对螺栓径向的最大加速度a；获取螺栓处满足最大轴向响应位移u下的等效外力；获取螺栓预紧力f0，对螺栓施加预紧力f0并进行螺栓预紧力分析；对螺栓施加等效外力，获取螺栓的残余预紧力f1；根据f1计算f1作用下螺栓与被连接件之间的静摩擦力f2；计算被连接件在最大加速度a条件下的最大振动力f；根据f2和f进行螺栓的失效评估。该方法考虑了预紧力与随机振动的耦合作用，将等效外力与螺栓预紧力进行线性叠加分析，可以评估出振动过程中螺栓的残余预紧力，评估结果准确性高，且可以通过仿真手段对螺栓的随机振动过程以及规律进行研究，可以很好地指导产品改进设计。

与上述的随机振动中螺栓的失效评估方法相对应，本发明还提出一种随机振动中螺栓的失效评估装置。由于本发明的装置实施例与上述的方法实施例相对应，对于装置实施例中未披露的细节可参照上述的方法实施例，本发明中不再进行赘述。

图4是根据本发明一个实施例的随机振动中螺栓的失效评估装置的方框示意图。如图4所示该装置包括：第一获取模块10、第二获取模块20、第一施加模块30、第二施加模块40、第一计算模块50、第二计算模块60、评估模块70。

其中，第一获取模块10用于进行随机振动力学仿真，以获取螺栓处的最大轴向响应位移u，以及被连接件相对螺栓径向的最大加速度a；第二获取模块20用于进行静力学仿真，以获取螺栓处满足最大轴向响应位移u下的等效外力；第一施加模块30用于获取螺栓预紧力f0，对螺栓施加预紧力f0并进行螺栓预紧力分析；第二施加模块40用于对螺栓施加等效外力，进行静力学仿真分析以获取螺栓的残余预紧力f1；第一计算模块50用于根据残余预紧力f1计算残余预紧力f1作用下螺栓与被连接件之间的静摩擦力f2；第二计算模块60用于计算被连接件在最大加速度a条件下的最大振动力f；评估模块70用于根据静摩擦力f2和最大振动力f进行螺栓的失效评估。

根据本发明的一个实施例，第一计算模块50根据以下公式(1)计算残余预紧力f1作用下螺栓与被连接件之间的静摩擦力f2：

f2＝f1×μ(1)；

其中，f1为残余预紧力，f2为残余预紧力f1作用下螺栓与被连接件之间的静摩擦力，μ为螺栓与被连接件之间接触区域的摩擦系数。

根据本发明的一个实施例，第二计算模块60根据以下公式(2)计算被连接件在最大加速度a条件下的最大振动力f：

其中，a为被连接件相对螺栓径向的最大加速度，f为被连接件在最大加速度a条件下的最大振动力，m为被连接件总质量，n为与被连接件连接的螺栓个数。

根据本发明的一个实施例，评估模块70具体用于：将最大振动力f与静摩擦力f2的预设倍β进行比较，其中，β小于1；如果存在f≥β×f2，则判断螺栓松脱；如果存在f＜β×f2，则判断螺栓紧固。

进一步地，β的取值范围为0.8～0.9。

根据本发明实施例的随机振动中螺栓的失效评估装置，通过第一获取模块进行随机振动力学仿真，以获取螺栓处的最大轴向响应位移u，以及被连接件相对螺栓径向的最大加速度a，第二获取模块进行静力学仿真，以获取螺栓处满足最大轴向响应位移u下的等效外力，第一施加模块获取螺栓预紧力f0，对螺栓施加预紧力f0并进行螺栓预紧力分析，第二施加模块对螺栓施加等效外力，进行静力学仿真分析以获取螺栓的残余预紧力f1，第一计算模块根据残余预紧力f1计算残余预紧力f1作用下螺栓与被连接件之间的静摩擦力f2，第二计算模块计算被连接件在最大加速度a条件下的最大振动力f，评估模块根据静摩擦力f2和最大振动力f进行螺栓的失效评估。由此，该失效评估装置考虑了预紧力与随机振动的耦合作用，将等效外力与螺栓预紧力进行线性叠加分析，可以评估出振动过程中螺栓的残余预紧力，评估结果准确性高，且可以通过仿真手段对螺栓的随机振动过程以及规律进行研究，可以很好地指导产品改进设计。

在本发明中，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。