一种接地螺栓通电后温度及应力应变有限元计算分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于仿真计算技术领域，具体设及一种接地螺栓通电后溫度及应力应变有 限元分析计算方法，尤其是基于实测数据和多种物理量瞬态仿真技术禪合，对接地螺栓通 入电流后溫度及应力应变变化情况进行有限元计算分析。
【背景技术】
[0002] 螺栓连接作为连接结构中一种广泛采用的连接方式，是钢结构领域最常见最重要 的连接方式，在工业和民用领域发挥着重要的作用。螺栓的主要制造材料是钢材，因为钢材 不耐高溫，所W随着溫度的升高，钢材的性能会发生较大的变化（如机械性能急剧下降）。 接地螺栓通入电流之后，会产生焦耳热，溫度升高会引起螺栓应力、应变发生变化。运种焦 耳热的效应会对接地螺栓产生损坏，带来严重的安全隐患。因此，对接地螺栓在通入电流后 的溫度及应力应变的变化研究十分重要。
[0003] 目前，已有关于螺栓在不同工作环境下的有限元计算分析。石秀勇等（发动机飞 轮螺栓的=维有限元计算分析.中国机械工程2006,4(17):845-848)在其研究中对发动 机的飞轮螺栓进行了 =维有限元计算，得出了螺栓工作状态下最危险点发生的位置。张朝 辟等（火箭级间段连接螺栓失效数值模拟.强度与环境2007,8(34) :49-57)采用有限元分 析，对单个螺栓和级间段连接螺栓的相继失效进行数值模拟。
[0004] 但是目前尚未出现关于接地螺栓在通入电流后溫度与应力、应变的禪合计算。
【发明内容】
阳〇化]针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种接地螺栓通电后溫度及应力应变有 限元计算分析方法。该方法基于真实采集的数据和多参数瞬态数值模拟仿真技术；适用于 接地螺栓在通入电流后，螺栓表面与体内截面的溫度、应力、应变的评估。
[0006] 该接地螺栓通电后溫度及应力应变有限元计算分析方法，包括W下步骤：
[0007] S1.将接地螺栓接入实验测量平台进行通入电流实验测量
[0008] 采集接地螺栓在通入不同电流梯度后的数据，包括环境溫度、材料参数、溫升情况 和形变情况；
[0009] S2.建立几何模型并导入至计算软件
[0010] 在AutoCAD建模软件中，根据目标接地螺栓的内部结构和几何尺寸，建立目标螺 栓的S维几何模型；按照C0MS0L多物理场仿真软件的要求导出合适的几何模型格式，将建 立的=维几何模型导入至仿真计算软件中。
[0011] S3.建立物理模型，设定材料参数
[0012] 在C0MS0L中的结构力学模型库中选择焦耳热和热膨胀模型，设定材料参数，包 括：热容、热导率、电导率、密度、杨氏模量、泊松比、相对介电常数、热膨胀系数和密度。
[0013] S4.根据S1的实验测量结果建立边界条件，建立有限元网格并计算，导出计算结 果至数据分析软件，得到通入不同电流的情况下，螺栓在此过程中溫度、应力和应变的演变 情况。
[0014] 所述S2的建立几何模型的方式为：
[0015] 简化螺杆和螺帽的螺纹，假设螺杆与螺帽紧密接触。
[0016] 所述S4的建立的边界条件具体为：
[0017] 1).电流： 阳01引 a).电流守恒：所有域。 阳019] b).电绝缘：所有边界。 阳〇2〇] C).初始值：电势：0V。
[0021] d).接触阻抗：表面阻抗：和螺帽接触的水平电阻。
[0022] e).接触阻抗：表面阻抗：和螺帽接触的竖直电阻。
[0023] f).电流源：536201A/m3。
[0024] g).接地：侣板。 阳0巧]2).固体传热：
[0026] a).固体传热：所有域。
[0027] b).初始值：293. 15比]。
[00測 C).热通量：向内热通量。
[0029] 3).固体力学：
[0030] a).线弹性材料：所有域。
[0031] a).固定约束：和螺杆、螺帽产生面接触的区域。 阳0巧b).自由：非受限端。 阳03引 4).多物理场：
[0034] a).热膨胀：固体传热、固体力学。 阳03引 b).电磁热源：电流、固体传热。
[0036] C).边界电磁热源：电流、固体传热。
[0037] d).溫度禪合：固体传热、固体力学。 阳〇3引e).溫度禪合：固体力学、电流。
[0039] 所述S4的建立的有限元网格为：
[0040] 最大单元尺寸=2. 68mm;最小单元尺寸=0. 0268mm;单元增长率=1. 3 ;曲率指 数=0.2;狭区松弛度=1。
[0041] 本发明通过实际测量和仿真计算相结合的方式，模拟接地螺栓在通入电流后，零 件表面、截面、体内、特殊点的溫度、应力、应变的变化情况，获得了通过完全实际测量不可 能或者不方便取得的数据。完全实际测量要较多的人力、物力、财力，同时零件在通入大电 流的情况下，有发生爆炸的危险。并且零件在通入电流瞬间的变化，很难通过实际测量得到 相对准确的数据。但是数值仿真计算技术，很难和实际情况完美匹配，本发明掲示了一种获 得更加接近实际情况计算方法。
[0042] 综上所述，本发明的有益效果为：避免了完全实际测量需要较多的人力、物力、财 力；获得了通过实际测量不可能或者不方便取得的数据；提供了一种结果更加准确的计算 分析方法。
【附图说明】：
[0043]图1为数值仿真技术实施过程图； W44] 图2为计算所用的有限元网格示意图； W45] 图3为零件在通入300A电流时表面溫度（单位：°C)随时间的变化；
[0046] 图4为零件在通入300A电流时表面应力（单位：N/cm2)随时间的变化情况；
[0047] 图5为零件在通入300A电流时表面应变（单位：mm)随时间变化情况；
[0048] 图6为零件在通入300A电流时最高溫度点的溫度随时间的变化；
[0049] 图7为零件在通入300A电流时应力最大的点的应力随时间的变化；
[0050] 图8为零件在通入300A电流时应变最大的点的应变随时间的变化；
[0051] 图9为零件在通入300A至20000A梯度电流时溫度随时间的变化。