基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取方法及装置与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取方法及装置。


背景技术：

2.大型风力发电机组的设计研发过程中需要针对机组关重零部件进行仿真设计，仿真精度的高低直接影响零部件的设计质量。近年来，伴随着计算机技术的高速发展，有限元数值分析方法(fea，finite element analysis)越来越多地被用于风力发电机组的设计研发中。螺栓连接是风力发电机组关重零部件之间的主要连接方式之一，其设计质量直接决定风力发电机组的整体可靠性。螺栓连接的设计计算必须基于复杂工况下螺栓的截面内力进行，行业内，主要基于有限元仿真分析进行复杂工况下螺栓的截面内力提取。
3.(1)在进行螺栓接头仿真分析时，若采用实体模型模拟螺栓，受限于技术瓶颈，有限元软件在进行螺栓截面弯矩提取时无法对矩心(即螺栓截面中心)在外载荷作用下发生的空间位移进行补偿，使得计算弯矩时的力臂有误，导致无法提取得到正确的螺栓截面弯矩；
4.(2)采用梁单元的建模方式虽然无上述技术瓶颈存在，但由于梁单元的建模方式会使得仿真分析模型中螺栓接头各部件的刚度分配和实际情况出入较大，导致仿真分析得到的螺栓截面内力误差较大，继而影响螺栓接头的设计质量。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取方法及装置，以解决现有技术中存在的无法获取准确的矩心，进而难以获得正确的螺栓截面弯矩的技术问题。
6.一种基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取方法，包括：根据螺栓几何尺寸建立实体模型，在所述实体模型中印记目标截面的位置，获取所述目标截面的中心作为初始截面中心，并对印记得到圆周线进行四等分切割；分别在所述初始截面中心处和所述四等分切割处布置节点，对所述实体模型进行网格离散；根据离散后的实体模型，建立螺栓接头的有限元模型，对所述有限元模型进行大变形求解，得到计算结果；基于计算结果提取所述初始截面中心发生的位移，使用所述位移对目标截面的中心位置进行修正，并计算螺栓的截面弯矩，得到螺栓内力。
7.在其中一个实施例中，所述目标截面在所述实体模型中，为从螺纹旋合段边界沿轴向方向，向螺栓中部移动预设距离的水平截面。
8.在其中一个实施例中，对所述实体模型进行网格离散步骤之前，还包括：随机在所述初始截面中除中心处和四等分切割处以外的位置布置多个节点。
9.在其中一个实施例中，对所述有限元模型进行大变形求解，得到计算结果步骤，包括：对所述有限元模型进行多步加载处理，得到每步加载对应的时刻，各节点的空间位移，
以及对应时刻的大变形求解的计算结果。
10.在其中一个实施例中，所述多步加载分为预紧力加载和外载荷加载，其中所述外载荷加载分为多个载荷子步进行。
11.在其中一个实施例中，所述基于计算结果提取所述初始截面中心发生的位移对目标截面的中心位置进行修正，并计算螺栓的截面弯矩，得到螺栓内力步骤，包括：选取所述目标截面中心处节点以及任意两个相邻的四等分切割处节点作为目标节点，并获取所述目标节点的空间坐标；选取任意一步加载的时刻作为目标时刻，并获取对应的计算结果和所述目标节点对应的空间位移；根据所述目标节点的空间坐标和对应的空间位移，计算所述目标节点在所述目标时刻的目标空间坐标，得到目标截面中心处节点对应的目标中心坐标，以及两个相邻的四等分切割处节点对应的第一目标坐标和第二目标坐标；以所述目标中心坐标为原点，将所述第一目标坐标和所述第二目标坐标分别作为x轴、y轴正向方向，创建三维直角坐标系作为参考坐标系；基于目标中心坐标和所述参考坐标系，计算螺栓的截面弯矩，得到螺栓内力。
12.一种基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取装置，包括截面获取模块、网格离散模块、有限元建模模块和内力提取模块，其中：所述截面获取模块用于，根据螺栓几何尺寸建立实体模型，在所述实体模型中印记目标截面的位置，获取所述目标截面的中心作为初始截面中心，并对印记得到圆周线进行四等分切割。所述网格离散模块用于，分别在所述初始截面中心处和所述四等分切割处布置节点，对所述实体模型进行网格离散。所述有限元建模模块用于，根据离散后的实体模型，建立螺栓接头的有限元模型，对所述有限元模型进行大变形求解，得到计算结果；所述内力提取模块用于，基于计算结果提取所述初始截面中心发生的位移，使用所述位移对目标截面的中心位置进行修正，并计算螺栓的截面弯矩，得到螺栓内力。
13.在其中一个实施例中，所述内力提取模块包括坐标获取单元、位移获取单元、坐标更新单元、坐标建立单元和内力计算单元，其中：所述坐标获取单元用于，选取所述目标截面中心处节点以及任意两个相邻的四等分切割处节点作为目标节点，并获取所述目标节点的空间坐标；所述位移获取单元用于，选取任意一步加载的时刻作为目标时刻，并获取对应的计算结果和所述目标节点对应的空间位移；所述坐标更新单元用于，根据所述目标节点的空间坐标和对应的空间位移，计算所述目标节点在所述目标时刻的目标空间坐标，得到目标截面中心处节点对应的目标中心坐标，以及两个相邻的四等分切割处节点对应的第一目标坐标和第二目标坐标；所述坐标建立单元用于，以所述目标中心坐标为原点，将所述第一目标坐标和所述第二目标坐标分别作为x轴、y轴正向方向，创建三维直角坐标系作为参考坐标系；所述内力计算单元用于，基于目标中心坐标和所述参考坐标系，计算螺栓的截面弯矩，得到螺栓内力。
14.由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：
15.1.采用实体模型进行螺栓建模能高精度地模拟螺栓接头的刚度分配，提取得到的螺栓截面内力更贴合实际。
16.2.通过建立螺栓接头的有限元模型进行大变形求解，得到计算结果，采用计算结果对螺栓的目标截面的中心的空间位移进行补偿，以该位置为矩心进行螺栓截面弯矩的提取，从而使内力精度得以保证。
17.3.通过提供参考坐标系为参考，提取得到的螺栓截面弯矩参考方向明确，便于基于提取得到的截面内力数据对螺栓接头的承载特性进行进一步分析。从而能够解决现有技术中采用梁单元建模时，梁单元的截面方向控制过程复杂繁琐，容易出错，且无法对梁单元的截面方向进行直观判断，不利于后续对螺栓接头的承载特性进行深入分析的技术问题。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
19.图1为一个实施例中基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取方法的流程示意图；
20.图2为一个实施例中目标截面的位置示意图；
21.图3为一个实施例中在螺栓有限元模型内目标截面的中心位置对比图；
22.图4为一个实施例中目标截面上中心位置对比图；
23.图5为一个实施例中基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取装置的结构框图；
24.图6为一个实施例中内力提取模块的结构框图。
具体实施方式
25.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
26.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
27.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取方法，包括：
28.s110根据螺栓几何尺寸建立实体模型，在实体模型中印记目标截面的位置，获取目标截面的中心作为初始截面中心，并对印记得到圆周线进行四等分切割。
29.在一个实施例中，步骤s110中的目标截面在实体模型中，为从螺纹旋合段边界沿轴向方向，向螺栓中部移动预设距离的水平截面。
30.具体地，在步骤s110中，根据螺栓几何尺寸建立实体模型时，不考虑螺纹及细小圆角。而对目标截面的选取，如图2所示，一般为自螺纹旋合段边界沿轴向方向向螺栓中部移动5～6mm距离，得到的截面即为目标截面。目标截面的中心为初始截面中心，如图3和图4所示，在螺栓模型未受到外部载荷作用时，即变形为0时的目标截面圆心。
31.s120分别在初始截面中心处和四等分切割处布置节点，对实体模型进行网格离散。
32.在一个实施例中，步骤s120中的对实体模型进行网格离散步骤之前，还包括：随机在初始截面中除中心处和四等分切割处以外的位置布置多个节点。
33.具体地，在初始截面中心处和四等分切割处的五点的位置，为必须布置节点的地
方，而后续的其他位置布置多个节点，都是便于对实体模型进行网格离散。
34.s130根据离散后的实体模型，建立螺栓接头的有限元模型，对有限元模型进行大变形求解，得到计算结果。
35.在一个实施例中，步骤s130中对有限元模型进行大变形求解，得到计算结果包括：对有限元模型进行多步加载处理，得到每步加载对应的时刻，各节点的空间位移，以及对应时刻的大变形求解的计算结果。
36.在一个实施例中，多步加载分为预紧力加载和外载荷加载，其中外载荷加载分为多个载荷子步进行。
37.具体地，在步骤s130中，多步加载处理就是进行载荷加载，而这里的加载常分为2个载荷步进行，第1个载荷步仅加载预紧力，加载过程为0s～1s,加载完成后锁定模型位移；第2个载荷步仅加载外载荷，分多个载荷子步进行，加载过程为1s～2s，每个子步对应的时刻即为关注时刻，以5个载荷子步进行加载为例，关注时刻即为1.2s、1.4s、1.6s、1.8s、2s。本步骤是在仿真软件中进行，通过载荷加载后，可以得到对应时刻的各节点的对应位移，以及对应的大变形计算结果。
38.s140基于计算结果提取初始截面中心发生的位移，使用位移对目标截面的中心位置进行修正，并计算螺栓的截面弯矩，得到螺栓内力。
39.在一个实施例中，步骤s140包括：选取目标截面中心处节点以及任意两个相邻的四等分切割处节点作为目标节点，并获取目标节点的空间坐标；选取任意一步加载的时刻作为目标时刻，并获取对应的计算结果和目标节点对应的空间位移；根据目标节点的空间坐标和对应的空间位移，计算目标节点在目标时刻的目标空间坐标，得到目标截面中心处节点对应的目标中心坐标，以及两个相邻的四等分切割处节点对应的第一目标坐标和第二目标坐标；以目标中心坐标为原点，将第一目标坐标和第二目标坐标分别作为x轴、y轴正向方向，创建三维直角坐标系作为参考坐标系；基于目标中心坐标和参考坐标系，计算螺栓的截面弯矩，得到螺栓内力。
40.具体地，在仿真软件中，首先，进入后处理器读取结果文件中任意时刻的结果数据，这里读取的则是上述步骤130的具体描述中提到的关注时刻，任意时刻则是在进行加载外载荷的任意一个子步对应的时刻；然后，提取得到螺栓截面中心位置节点及任意两个相邻的印记线等分切割位置节点的初始空间坐标，初始空间坐标都是变形为0时的坐标，这里的螺栓截面中心位置节点即为步骤s110中的初始截面中心的坐标；然后，读取关注时刻的结果数据，并提取上述三节点在该时刻加载后发生的空间位移，然后，如图3和图4所示，基于上述三个节点的初始空间坐标和加载后发生的空间位移计算得到三个节点在该时刻加载变形后的空间坐标，也就是目标截面中心处节点对应的目标中心坐标(即图3和图4中的修改后的目标截面中心)，以及两个相邻的四等分切割处节点对应的第一目标坐标和第二目标坐标；然后，以目标中心坐标为原点，将第一目标坐标和第二目标坐标分别作为x轴、y轴正向方向，创建用于螺栓截面内力提取参考的三维直角坐标系，最后，再次读取结果文件中关注时刻的结果数据，并以该三维直角坐标系为参考，以该坐标系原点为矩心(螺栓截面中心)，以提取螺栓截面弯矩，计算弯矩时是基于一个关注时刻(目标时刻)的，所以具体是根据步骤s130中该关注时刻加载的外载荷力计算力臂，进一步根据力臂和矩心，计算螺栓目标截面的弯矩，而截面弯矩也是螺栓截面内力的一种，故计算螺栓截面弯矩即为提取螺
栓截面内力。在对某一个关注时刻(即目标时刻)提取螺栓截面弯矩时，是选取目标截面任意一侧的第一层单元进行的提取，能够保证内力提取的精度，第一层单元如图2中的虚线框所示，目标截面的上下两侧最近的一层网格即为第一单元。
41.上述实施例中，提供的基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取方法，采用实体模型模拟螺栓，最大限度地反应螺栓接头的真实刚度，提取截面内力时，采用后处理手段确定加载后截面中心节点的准确空间位置，以该位置为矩心进行螺栓截面弯矩的提取，从而使内力精度得以保证，且通过指定截面内力提取参考坐标系的方式，能对提取得到螺栓截面弯矩方向进行直观判断，为进一步对螺栓接头的承载特性分析提供可能。
42.在一个实施例中，如图5所示，提供了一种基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取装置，装置包括截面获取模块210、网格离散模块220、有限元建模模块230和内力提取模块240，其中：
43.截面获取模块210用于，根据螺栓几何尺寸建立实体模型，在实体模型中印记目标截面的位置，获取目标截面的中心作为初始截面中心，并对印记得到圆周线进行四等分切割。
44.网格离散模块220用于，分别在初始截面中心处和四等分切割处布置节点，对实体模型进行网格离散。
45.有限元建模模块230用于，根据离散后的实体模型，建立螺栓接头的有限元模型，对有限元模型进行大变形求解，得到计算结果；
46.内力提取模块240用于，基于计算结果提取初始截面中心发生的位移，使用位移对目标截面的中心位置进行修正，并计算螺栓的截面弯矩，得到螺栓内力。
47.在一个实施例中，如图6所示，内力提取模块240包括坐标获取单元241、位移获取单元242、坐标更新单元243、坐标建立单元244和内力计算单元245，其中：坐标获取单元241用于，选取目标截面中心处节点以及任意两个相邻的四等分切割处节点作为目标节点，并获取目标节点的空间坐标；位移获取单元242用于，选取任意一步加载的时刻作为目标时刻，并获取对应的计算结果和目标节点对应的空间位移；坐标更新单元243用于，根据目标节点的空间坐标和对应的空间位移，计算目标节点在目标时刻的目标空间坐标，得到目标截面中心处节点对应的目标中心坐标，以及两个相邻的四等分切割处节点对应的第一目标坐标和第二目标坐标；坐标建立单元244用于，以目标中心坐标为原点，将第一目标坐标和第二目标坐标分别作为x轴、y轴正向方向，创建三维直角坐标系作为参考坐标系；内力计算单元245用于，基于目标中心坐标和参考坐标系，计算螺栓的截面弯矩，得到螺栓内力。
48.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。