一种机匣安装边螺栓连接结构的分区域薄层单元建模方法

本发明属于航空发动机/燃气轮机结构有限元仿真，具体涉及一种机匣安装边螺栓连接结构的分区域薄层单元建模方法。

背景技术：

1、螺栓连接结构因具有安装简单、实用性强的特点，被广泛用于航空发动机/燃气轮机部件连接中。航空发动机/燃气轮机机匣安装边因结构需要，通常需要承受较大的载荷，正确模拟其结构的受力状态尤为重要。然而螺栓连接结构复杂，容易造成航空发动机/燃气轮机整体结构突变，对航空发动机的动力学特性造成影响。同时，螺栓连接需施加较大预紧力，导致接触部位产生许多非线性因素，在分析螺栓连接刚度特性时产生许多误差。因此，准确的建立螺栓连接模型是分析螺栓连接刚度特性的基础。近年来的研究表明，当螺栓预紧力足够大或者外激励幅值比较小的情况下，可以忽略螺栓连接结构的非线性性质，将其线性化处理。随着有限元理论的发展和计算机存储、计算能力的提升，人们开始采用实体单元对航空发动机进行高保真建模，并且忽略螺栓连接结构的非线性特性，因此出现了薄层单元法模型。

2、薄层单元法是指在相邻接触体之间定义一层能够模拟接触力学特征的虚拟材料，以界面虚拟材料的力学性能参数来等效模拟实际的界面接触刚度，使用整块薄层来代替螺栓及预紧力的作用。因此，薄层单元法可以模拟复杂机械中的螺栓连接结构并保持结构的完整性，并能够较准确地表征连接处的线性刚度特性，修正后的模型可以用于后续的模态分析和稳态响应分析，并且能和实体单元相结合建立高保真整机模型。

3、但是该方法也存在其缺陷，首先，在有限元建模过程中，薄层单元厚度的选取决定着薄层单元模拟结果的准确性，如果选取厚度过大，薄层单元就相当于实体单元，不能起到模拟的效果；厚度过小则会导致模型计算困难，因此薄层单元的厚度选取至关重要。其次，由于薄层单元材料参数的确定几乎均需要依靠相关的实验数据，所以对于复杂机械结构，由于条件的限制，很多试验难以获取或者根本无法获得合适的试验数据，并且由于螺栓连接结构的刚度非均匀分布，普通的薄层单元法不能准确的模拟不同应力下的刚度分布，无法考虑螺栓连接轴向刚度分布不均的问题，导致结果必须通过试验数据进行修正。因此，在航空发动机/燃气轮机整机建模和动力特性分析过程中应用薄层单元法还存在一定的局限性和不足。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明提出一种机匣安装边螺栓连接结构的分区域薄层单元建模方法，通过对机匣安装边螺栓连接结构进行建模，为机匣安装边螺栓连接结构有限元仿真提供可靠的理论模型，适用于预紧力足够大或外激励幅值较小时，普通的薄层单元法不能准确的模拟不同应力下的刚度分布，导致结果必不准确的问题。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种机匣安装边螺栓连接结构的分区域薄层单元建模方法，包括如下步骤：

4、步骤1：根据机匣安装边的结构参数，建立无薄层机匣安装边螺栓连接模型；

5、步骤2：对步骤1建立的无薄层机匣安装边螺栓连接模型进行网格划分，确定网格化的安装边模型；

6、步骤3：对步骤2网格划分后的模型设置安装边模型的约束边界条件和载荷边界条件；

7、步骤4：通过有限元计算得到机匣安装边结合面接触应力分布，获取接触面各个不同应力区域的边界坐标；

8、步骤5：通过曲线拟合对上述边界进行处理，得到顺滑的边界曲线；

9、步骤6：应用层单元理论对螺栓连接机匣模型进行修改，获得分区域薄层单元结构模型；

10、步骤7：计算得到各个区域薄层单元的接触刚度；

11、步骤8：计算得到薄层单元的厚度；

12、步骤9：计算得到不同区域薄层单元的弹性模量；

13、步骤10：将上述求得的参数设置到分区域薄层单元结构模型中，获得完整的结构模型。

14、进一步地，所述步骤1具体为将原来机匣安装边的扇形螺栓连接件简化为“l”形梁，将原来机匣安装边的十二角螺栓和十二角螺母简化为圆柱体，建立简化后的模型。

15、进一步地，所述步骤2具体为选择六面体网格对步骤1建立的无薄层机匣安装边螺栓连接模型进行网格划分，将机匣安装边和螺栓模型几何体尺寸设置为1mm，同时对于机匣安装边接触面网格进行网格加密处理，将两接触面单元尺寸设置为0.5mm。

16、进一步地，所述步骤3具体为首先将安装边接触面设置为摩擦接触，摩擦系数f=0.15，接触设置采用增强拉格朗日算法，然后对螺栓结构设置螺栓预紧力，最后对模型的一端设置为固定约束，另一端施加垂直向上的轴向载荷，载荷分两步加载，第一步施加预紧力，第二步将预紧力锁死同时施加其余载荷。

17、进一步地，所述步骤5具体为使用 ug软件中曲线拟合功能对步骤4获得的各个边界位置坐标进行处理并删除极个别偏差较大的零散坐标，进而得到顺滑的边界曲线。

18、进一步地，所述步骤6具体为应用层单元理论对螺栓连接机匣模型进行修改：保留上下两个连接件，增加薄层单元，再利用分区域层单元法对薄层单元划分；所述薄层单元的具体划分方法为：在 ug软件中将按照接触应力的大小划分区域的安装边结合面模型进行拉伸处理和布尔运算，将薄层单元分为不同的区域，获得分区域薄层单元结构模型。

19、进一步地，所述步骤7具体为通过公式 k=0.9933 p0.6736计算得到各个区域薄层单元单位面积上的接触刚度，式中 k为单位面积上的法向接触刚度值， p为结合面部位单位面积法向应力。

20、进一步地，所述步骤8具体为：通过公式计算薄层单元的厚度，其中ratio为比例系数，l1、l2分别为薄层区域的长度与宽度，h为薄层单元的厚度。

21、进一步地，所述步骤9具体为：通过公式计算得到不同区域薄层单元的弹性模量，式中 e i ’， a i ’， l i ’ ， k i ’分别为各部分结构的弹性模量、横截面积、厚度和接触刚度。

22、进一步地，所述步骤10具体为：在workbench中进行工程数据修改，对每个薄层区域分别设置其弹性模量，统一修改薄层单元厚度，即可将上述求得参数设置到分区域薄层单元结构模型中，并获得最终的分区域薄层机匣安装边螺栓连接模型。

23、本发明的优点与有益效果为：

24、本发明提出的航空发动机/燃气轮机机匣安装边螺栓连接结构的分区域薄层单元建模法，能够准确模拟航空发动机/燃气轮机机匣安装边螺栓连接结构的几何形态，可以为不同尺寸的航空发动机机匣安装边螺栓连接结构提供精确建模方法，为螺栓连接结构有限元仿真提供了可靠的理论模型，分区域薄层单元法能够考虑接触刚度对整体刚度带来的变化，更准确模拟航空发动机/燃气轮机机匣安装边螺栓连接结构刚度特性。