[发明专利]一种螺栓的有限元分析方法及强度评估方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种螺栓的有限元分析方法及强度评估方法，可用于复杂结构、复杂载荷下大量螺栓的快速建模和强度评估，属于螺栓强度评估技术领域。 

背景技术

螺栓被广泛使用到多型运载火箭，螺栓强度评估是一项重要的工作。传统分析采用工程算法，能快速估计螺栓强度，但精度较低：螺栓力分析具有较强的非线性效应，被连接件变形导致的接触面支点变化对螺栓力具有决定性的影响，这一点工程算法无法考虑；另外，复杂结构、复杂载荷下传力路径很复杂，工程算法很难做出合理假设。有限元方法能获得较真实的传力路径及各螺栓承力分布，也可以较准确的模拟接触面非线性效应，具有较高精度；但是，大量螺栓强度评估的工作量极大，耗费了设计人员大量时间、很大程度上影响研制进程。 

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出一种螺栓的有限元分析方法及强度评估方法。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。 

本发明的一种螺栓的有限元分析方法，步骤为： 

1)对螺栓建立有限元模型，有限元模型中所使用的参数为螺栓的材料属性和螺栓的几何尺寸； 

所述的螺栓的材料属性是指螺栓材料的弹性模量、泊松比、屈服应力、极限强度和断后伸长率； 

所述的螺栓的几何尺寸参数，是指螺杆的直径R和长度L、螺钉头的直径R₁和厚度t₁，螺帽的直径R₂和厚度t₂； 

2)对法兰建立有限元模型，有限元模型中所使用的参数为法兰的材料属性和法兰的几何尺寸； 

所述的法兰的材料属性是指法兰材料的弹性模量、泊松比、屈服应力、极限强度和断后伸长率； 

所述的法兰的几何尺寸参数，是指法兰的外径r、宽度w、厚度t，高度h、筒壁厚度d、螺孔直径R′、螺孔到筒壁距离D； 

3)将步骤1)中建立的螺栓模型、步骤2)中建立的法兰模型进行装配，得到装配模型； 

4)采用有限元工具对步骤3)得到的装配模型进行接触关系设定，法兰的对接面设为接触关系，螺帽与法兰之间设为接触关系，螺杆与螺孔之间设为接触关系。 

5)采用有限元工具对步骤3)得到的装配模型进行单元划分，得到单元模型，六面体单元均采用非协调元，四面体单元均采用二阶修正单元； 

进行单元划分时要求螺杆和螺孔的周向单元数目相同，且单元数目不少于8个；要求法兰厚度方向的单元数目不少于2个，螺杆长度方向的单元数目为奇数，且不少于5个。 

6)采用有限元工具在单元模型上施加边界条件和载荷，然后用有限元工具对单元模型进行应力分析，得到螺栓应力的有限元分析结果。 

本发明的一种螺栓的强度评估方法，步骤为： 

1)读取螺栓应力的有限元分析结果； 

2)在螺杆中部建立平行于螺帽的截面，提取不同载荷步下截面上的拉力、弯矩； 

3)以螺杆拉力为横坐标，以螺杆弯矩为纵坐标，做曲线图； 

4)随着螺栓拉力增大，螺栓弯矩达到峰值；螺栓力继续增大，螺栓弯矩开始下降，表明螺栓进入屈服；随着螺栓拉力进一步增大，螺栓弯矩降低到峰值一半时，表明螺栓达到强度极限。 

有益效果 

采用有限元方法计算螺栓应力，并建立螺栓强度判据，提高了螺栓强度计算的精度。 

附图说明：

图1为螺栓的几何参数的示意图； 

图2为法兰的几何参数的示意图； 

图3为法兰的结构示意图； 

图4为以螺杆拉力为横坐标，以螺杆弯矩为纵坐标的曲线图。 

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。 

实施例 

1)对螺栓建立有限元模型，模型中包括螺栓的材料性能和几何尺寸。 

螺栓材料为30CrMnSiA，弹性模量为200GP、泊松比为0.3、屈服应力为735MPa、极限强度为1030MPa，断后伸长率为10％； 

螺栓的几何参数如附图1所示，参数值为：螺杆直径R为8mm、长度L为12mm、螺钉头直径R₁为12mm、厚度t₁为3mm、螺帽直径R₂为12mm、厚度t₂为3mm； 

2)对法兰建立有限元模型，模型中包括法兰的材料性能和几何尺寸。