[发明专利]一种跑道形螺栓连接结构的有限元建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有限元建模方法，具体涉及一种跑道形螺栓连接结构的有限元建模方法。

背景技术

在机械连接结构中，为了减小被连接件沿纵向伸缩位移的限制，常用如图1所示跑道形螺栓连接结构来连接，螺栓可在跑道形孔内滑动。跑道形螺栓的存在既能有效的限制横向和垂向位移，又能保证被连接件沿纵向的伸缩移动，使得由于纵向变形受限制而产生的次弯曲减小，从而避免连接处严重的应力集中。然而跑道形螺栓连接结构的力学作用相当复杂，为了研究其物理机理以及力学性能，常采用数值模拟方法来分析，所以建立一种统一的高效可行的跑道形螺栓连接结构有限元建模方法十分必要。

在进行跑道形螺栓连接结构有限元分析时，传统上通常采用三维实体建模方法。考虑接触的三维实体模型能很好的模拟螺栓与被连接件之间的连接，该方法能够分析连接件内部及其周边结构的变形以及应力特征，且能够考虑垫圈尺寸、预紧力、表面滑移、接触空隙以及温度效应等对结构力学特性的影响。然而，该方法建模复杂，计算耗时长，尤其针对于实际大型结构，往往含有数目庞大的螺栓群，这种方法是不能胜任其结构力学分析的。

发明内容

发明目的：为了现有连接建模技术计算量大、模拟困难、无法运用于含有大量连接件的大型结构中的问题，本发明提供一种跑道形螺栓连接结构的有限元建模方法，采用一种简化的组合单元来模拟跑道形螺栓连接，在保证精度的同时能极大的提高效率，具有十分重要的工程意义。

技术方案：为实现上述目的，本发明中跑道形螺栓连接结构的有限元建模方法，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。

其中，上述步骤(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。

其中，上述步骤(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。

进一步地，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。

其中，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向平行于跑道孔直线段的方向，W向为垂直于跑道孔直线段方向，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。