[发明专利]螺栓连接力学状态的有限元计算方法及强度校核方法

说明书

本申请提供了螺栓连接力学状态的有限元计算方法及强度校核方法，包括：根据螺栓连接结构中各部件的真实几何结构，建立螺栓连接结构对应的有限元模型；执行两个有限元分析步骤，第一个步骤包括对有限元模型中的螺栓头部施加固定约束，对有限元模型中的螺母施加转角约束；第二个步骤包括卸去有限元模型中对螺栓头部施加的固定约束，对有限元模型中的上被夹件和下被夹件之间的一个被夹件施加固定约束，并对另一个被夹件施加外载荷；根据两个有限元分析步骤中得到的数据，求解被夹件柔度、载荷系数以及第二最小预紧力值。本申请示出的技术方案，能够准确校核螺栓连接强度，确定合适的螺栓规格、材质类型以及拧紧力矩。

技术领域

本申请涉及机械设计技术领域，尤其涉及螺栓连接力学状态的有限元计算方法及强度校核方法。

背景技术

螺栓连接结构使用非常广泛，在各种机械产品上都有应用。在产品设计阶段需要对螺栓连接进行强度校核计算，计算的目的是：在满足结构安全要求(不能断裂、不能疲劳失效)和功能要求(密封性能、防松功能)的前提下，确定合适的螺栓的规格、材料和拧紧力矩。所谓螺栓的规格是指螺栓的公称直径的大小，它是标准化的，设计人员一般是从标准的螺栓的规格中选择，极少情况下才使用非标准的规格。所谓拧紧力矩，是指安装螺纹连接所需要的力矩大小，单位是牛米。

一般来说，螺栓连接强度校核计算方法需要使用许多经验公式或经验参数，例如螺栓柔度、被夹件柔度以及载荷系数，这些经验公式或经验参数误差较大，导致计算结果不准确。而且，一般的螺栓连接强度校核计算方法不能考虑螺栓连接整体刚度的稳定性，不适用对于螺栓连接刚度稳定性要求较高(即，当预紧力明显波动时，螺栓连接的刚度基本不变或变化较小)的场合。

发明内容

本申请实施例提供了一种螺栓连接力学状态的有限元计算方法及强度校核方法，能够准确校核螺栓连接强度，确定合适的螺栓规格、材质类型以及拧紧力矩。

第一方面，本申请提供一种螺栓连接力学状态的有限元计算方法，包括：

根据螺栓连接结构中各部件的真实几何结构，建立螺栓连接结构对应的有限元模型；其中，螺栓连接结构包括螺栓、螺母、上被夹件和下被夹件；有限元模型包括：各部件的三维实体单元、各部件的真实材料属性、以及螺栓和螺母的螺纹结构；

设置有限元模型的边界条件，边界条件包括：螺纹接触界面、螺母和上被夹件接触界面、上下被夹件接触界面、下被夹件和螺栓头部接触界面；每个接触界面设置有对应的摩擦系数；

执行两个有限元分析步骤，其中，第一个步骤包括对有限元模型中的螺栓头部施加固定约束，对有限元模型中的螺母施加转角约束，以模拟螺母的拧紧；第二个步骤包括卸去有限元模型中对螺栓头部施加的固定约束，对有限元模型中的上被夹件和下被夹件之间的一个被夹件施加固定约束，并对另一个被夹件施加外载荷F_A；

根据两个有限元分析步骤中得到的数据，求解被夹件柔度δ_P、载荷系数φ以及保证螺栓连接结构连接刚度稳定性所需的第二最小预紧力值F_Mmin2。

在一种实现方式中，根据两个有限元分析步骤中得到的数据，求解被夹件柔度δ_P，包括：

提取第一个步骤结束时，螺栓的第一预紧力F_K1以及被夹件的内孔长度的压缩量x；利用公式1，根据压缩量x和第一预紧力F_K1求解被夹件柔度δ_P；公式1为：

在一种实现方式中，根据两个有限元分析步骤中得到的数据，求解载荷系数φ，包括：

提取第二个步骤结束时，螺栓的第二预紧力F_K2；

利用公式2，求解由于外载荷F_A作用而造成的预紧力增加量F_SA；公式2为：