[发明专利]一种有限元优化螺栓预紧力及螺栓结构设计的方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用有限元技术对螺栓结构进行分析和设计，是一种有限元优化螺栓预紧力及螺栓结构设计的方法。

背景技术

有限元法被称为矩阵近似方法，是用现代数学和计算机技术结合的方法对真实物理系统（包括几何和载荷工况但不仅仅于此）进行模拟，其本质是采用微积分的方法对离散方程进行求解。有限元分析（FEA）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。近年来，有限元法的应用范围有了大幅度的提高，已由简单弹性力学的平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力问题扩展到稳定性问题、动力学问题和波动问题；分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性和复合材料，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等连续介质力学领域。有限元技术在航空、机械、汽车、桥梁等各行业越来越受到重视，采用有限元法，不仅能减轻结构自重、优化零件形状、降低材料消耗、提高产品质量和性能，而且能大大缩短产品设计周期，减少试件的制作、降低成本等。

在进行有限元分析时，常常需要正确的模拟两个部件之间联接关系。而螺栓联接是工程结构中应用最广泛的一种联接方式。螺栓联接以其构造简单、生产和安装方便在现代工业中被广泛应用，它即是传统、简单的联接工具，又是现代机器设备中起关键作用的部件。特别是高强度螺栓联接具有耐疲劳、承载大、可拆换、联接刚度好等优点，常被用于机器的重要部位。螺栓联接在多数实际应用中，依靠螺栓、螺母和被联接件结合面之间的摩擦力传递横向力，因此不允许在接合面间产生缝隙，即接合面之间在外载作用下要保证一定的残余预紧力。残余预紧力与接头材料、结构和初始预紧力有关，初始预紧力是影响螺栓结构安全工作的一个重要因素。螺栓预紧力就是在拧螺栓过程中，由于拧紧力矩作用而在螺栓与被联接件之间产生的，沿螺栓轴心线方向的预紧力。对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力有关。螺纹联接件的预紧力是为了保证螺纹联结件在工作中不分离，同时保证强度和使用寿命要求。加大预紧力可以保证联结件紧密度。但是，不能让联结件在预紧过程中损坏；同时，也要预防联结件在使用过程中损坏；也就是说，不能影响使用寿命。标准螺纹联接的预紧力大小可以从一些工程设计手册中查到。然而，这些数据大多基于传统的解析方法和试验，缺乏对螺纹联接内部应力状态的了解，尤其是无法确定螺纹根部应力集中区域的最大应力，因此，无法对螺纹联接中的预紧力进行比较精确优化设计。寻找一种优化螺栓预紧力的有效方法，确保螺栓结构具有合适的初始预紧力，既是其能安全工作的保证，也是对包含螺栓联接结构，进行动力学响应分析正确与否的关键。

现有技术中利用此类有限元分析螺栓预紧力的方法和系统，如中国专利文献中披露的申请号200910165817.3，公开日2010年3月31日，发明名称“有限元分析中初始化螺栓预紧力的改进方法和系统”；该方法使用FEA模型中的梁单元为每个螺栓建模。为了将期望的预紧力施加给一个或多个螺栓，规定了至少一条预紧力对比时间曲线，每条预紧力对比时间曲线包括斜坡部分、期望预紧力部分、以及可选的卸载部分。斜坡部分从零开始，以完全线性的方式达到期望的预紧力，因此被配置用于以较小的增量将期望的预紧力逐渐应用于螺栓。期望预紧力部分被配置用于确保期望的预紧力在初始化的过程中（一系列的准静态分析）被实际施加到梁单元上。由于该方法不受梁的变形的影响，因此该方法未涉及需要重复确定轴向应力应变以得到预紧力的方法。由于上述方法和系统没有对最佳预紧力的计算，较难实现螺栓结构的优化，以及用于螺栓结构的设计。

发明内容

为克服上述不足，本发明的目的是向本领域提供一种有限元优化螺栓预紧力及螺栓结构设计的方法，使其解决现有有限元优化螺栓预紧力不便和较难用于螺栓结构优化设计的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现。

一种有限元优化螺栓预紧力的方法，该方法主要通过计算机内有限元软件建立的螺栓联接结构有限元分析模型，对螺栓结构的预紧力进行优化和动力学响应分析；其特征在于该方法主要包括以下步骤：

1）、通过所述有限元软件，输入所述螺栓结构中元件的参数和材料属性，综合所述螺栓结构的非线性因素关系，建立二维及二维对称的所述螺栓联接结构有限元分析模型；