[发明专利]一种螺栓连接结构的有限元建模系统及方法

说明书

本发明公开一种螺栓连接结构的有限元建模系统及方法，包括：CAD模型处理模块、有限元网格划分模块、接触模型创建模块、螺栓单元创建模块、刚性单元创建模块、预紧单元创建模块。相较于现有技术，本发明提供的系统和方法具有广泛的适用性，在保留了关键细节的同时，提高了建模和计算效率，解决了详细建模过程繁琐且计算量较大的问题，以及简化建模存在较大误差的问题。

技术领域

本发明涉及有限元建模。更具体地，涉及一种螺栓连接结构的有限元建模系统及方法。

背景技术

螺栓连接结构是利用螺纹零件构成的可拆连接，过去的有限元建模方法为详细建模或简化建模，即采用实体单元构造详细的螺栓连接模型，或采用实体、板壳和刚性单元建立简化的螺栓连接模型。详细建模的主要步骤为：对被连接件和螺栓划分实体单元；在各零件接触面添加面-面接触模型；在螺杆横截面插入预紧力单元。这种建模过程繁琐，且计算量较大，不利于处理复杂问题。简化建模的主要步骤为：对被连接件划分实体单元或板壳单元；采用刚性单元模拟螺柱；采用刚性单元连接螺柱的两端与被连接件。这种简化的模型不能模拟螺栓预紧和零件之间的接触行为，其模拟结果存在较大的误差。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明的一个方面提供了一种螺栓连接结构的有限元建模系统，其特征在于，包括：

CAD模型处理模块、有限元网格划分模块、接触模型创建模块、螺栓单元创建模块、刚性单元创建模块、预紧单元创建模块；

所述CAD模型处理模块简化实际的螺栓连接结构；所述有限元网格划分模块根据简化模型生成实体网格；所述接触模型创建模块根据实体网格创建多对接触对；所述螺栓单元创建模块创建梁单元；所述刚性单元创建模块用于创建刚性单元；所述预紧单元创建模块用于创建预紧单元。

优选地，所述CAD模型处理模块将具体的螺栓连接结构简化为第一法兰、第二法兰、第一垫圈、第二垫圈，所述具体的螺栓连接结构还包括螺柱、螺头和螺母。

优选地，所述有限元网格划分模块采用实体单元对所述简化后的螺栓连接结构分别划分网格，并使螺栓连接结构在接触面上不共享网格节点。

优选地，所述接触模型创建模块创建3对接触对，分别位于第一法兰与第一垫圈的接触面、第一法兰与第二法兰的接触面、第二法兰与第二垫圈的接触面。

优选地，螺栓单元创建模块利用节点创建梁单元，模拟螺柱；

所述螺栓单元包括两个不共享网格的独立梁单元，每个梁单元包括两个节点。

优选地，第一梁单元的上端节点位于第一垫圈的上表面的圆心处，下端节点位于第一法兰的螺栓孔的下端圆心处；第二梁单元的上端点与梁单元的下端节点位置重合，下端节点位于第二垫圈的下表面的圆心处。

优选地，所述刚性单元创建模块创建两组刚性单元，分别模拟螺头连接和螺母连接。

优选地，所述预紧单元由三个节点组成，第一节点设置为第一梁单元的下端节点，第二节点设置为第二梁单元的上端节点，第三节点设置为任意位置的独立节点。

本发明提供一种螺栓连接结构的有限元建模的方法，包括：简化实际的螺栓连接结构；根据简化模型生成实体网格；根据实体网格创建多对接触对；根据简化模型创建梁单元；根据梁单元创建刚性单元；根据梁单元创建预紧单元。

本发明的有益效果如下：

本发明提供一种螺栓连接结构的有限元建模系统及方法，该方法采用实体单元对法兰和垫圈进行网格划分，在接触面创建接触对，采用梁单元模拟螺柱，利用刚性单元模拟螺头连接和螺母连接，使用预紧单元模拟螺栓预紧力。相较于现有技术，本发明提供的系统和方法具有广泛的适用性，在保留了关键细节的同时，提高了建模和计算效率，解决了详细建模过程繁琐且计算量较大的问题，以及简化建模存在较大误差的问题。