[发明专利]一种跑道形螺栓连接结构的有限元建模方法

权利要求书

1.一种跑道形螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立跑道形螺栓连接结构的3D几何模型，所述螺栓连接结构包括被连接件和螺栓连接件，所述被连接件包括第一、第二、第三被连接板，所述第一、第三连接板上设置有相同大小的圆状螺栓孔，所述第二被连接板上设置有跑道状螺栓孔；

(2)根据所述被连接件的3D几何模型建立被连接件的有限元模型；

(3)根据所述被连接件的有限元模型以及所述螺栓连接件的3D几何模型建立螺栓连接件与被连接件相互接触区域的有限元模型；

(4)利用Bush单元建立螺栓连接件的有限元模型。

2.根据权利要求1所述的跑道形螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，步骤(2)中根据所述被连接件的3D几何模型建立被连接件的有限元模型，包括以下步骤：

(2.1)从所述被连接件的3D几何模型中抽取所述第一、第二、第三被连接板的几何中面得到第一、第二、第三中面；

(2.2)以螺栓孔中心所在位置为控制点，分别在所述第一、第三中面上的圆状螺栓孔周围、在所述第二中面上的跑道状螺栓孔周围形成局部加密网格，并使网格呈现有规律的辐射状；

(2.3)采用壳单元分别建立每个中面的有限元模型，得到所述被连接件的有限元模型。

3.根据权利要求2所述的跑道形螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，步骤(3)中根据所述被连接件的有限元模型以及所述螺栓连接件的3D几何模型建立螺栓连接件与被连接件相互接触区域的有限元模型，包括如下步骤：

(3.1)在所述第一、三中面上的圆状螺栓孔、所述第二中面上的跑道状螺栓孔的中心处分别建立一个独立节点；

(3.2)根据螺栓连接件的尺寸确定所述第一、二、三中面上的受压区域；

(3.3)将所述被连接件的有限元模型上受压区域内所有节点作为非独立节点，并将所述非独立节点通过RBE2单元与独立节点相连，以自然坐标系为参考，使得三个平动自由度和三个转动自由度全部约束，每个中面上的RBE2单元与该中面对应的有限元模型位于同一平面内。

4.根据权利要求3所述的跑道形螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，步骤(3.2)中所述第二中面上的受压区域为两个受压圆弧段和直线段所包围的区域，所述直线段的长度为所述跑道状螺栓孔的直线段长度，所述受压圆弧段的直径D₀的计算公式为：

式中，L为螺栓杆的长度、D为所述圆状螺栓孔的直径。

5.根据权利要求3所述的跑道形螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，步骤(4)中利用Bush单元建立螺栓连接件的有限元模型，包括如下步骤：

(4.1)在螺栓所在位置建立局部坐标系，设U向平行于螺栓连接件中螺栓杆的延伸方向，V向平行于跑道状螺栓孔直线段的方向，W向为垂直于跑道状螺栓孔直线段方向，且U向、V向和W向两两互相垂直；

(4.2)建立Bush单元，并设定Bush单元在U、V、W方向以及绕U、V、W转动方向RU、RV、RW的刚度；

(4.3)采用Bush单元连接三个独立节点，最终建立螺栓连接件有限元模型。

6.根据权利要求5所述的跑道形螺栓连接结构的有限元建模方法，其特征在于，所述Bush单元在U、V、W方向的刚度K₁、K₂、K₃以及绕U、V、W转动方向RU、RV、RW的刚度K₄、K₅、K₆分别为：

K1=EALK2=μFNA0LwAsK3=GAsL]]>

K4=GJLK5=EIL+GAsL3K6=EIL+GAsL3]]>

式中：E为螺栓的弹性模量，A为螺栓杆的横截面积，F_N为螺栓预紧力，μ为连接件之间的摩擦因子，G为螺栓的剪切模量，I为界面惯性矩取值为L为螺栓杆的长度，L_w为跑道状螺栓孔直线段的长度，A₀为受压区域的面积，A_s为螺栓杆的有效横截面积其中