[发明专利]一种通过螺栓连接的双面搭接件的建模方法

说明书

一种通过螺栓连接的双面搭接件的建模方法，该双面搭接件含有上层搭接件、中层搭接件和下层搭接件，三层搭接件分别设有相同直径的连接通孔，并通过同一个螺栓连接为一体结构，根据搭接件的设计参数，建立搭接件的有限元模型，进行有限元网格划分；将上层搭接件连接通孔的孔壁上有限元节点和中层搭接件连接通孔的孔壁上有限元节点与第一重合节点连接形成第一刚体元，将下层搭接件连接通孔的孔壁上有限元节点与第二重合节点连接形成第二刚体元；将第一重合节点与第二重合节点连接形成弹簧元；将螺栓的刚度值赋予上述的弹簧元中，模拟螺栓剪切刚度及拉伸刚度。

技术领域

本发明属于飞机结构建模技术领域，具体涉及一种快速模拟双面搭接件螺栓连接的建模方法。

背景技术

螺栓连接在各种机械、建筑设施和武器结构中有着广泛的应用。在飞机结构工程中，螺栓连接方式大量应用于飞机零件的组装。各种气动载荷和惯性载荷，通过螺栓在飞机相互连接的各结构间相互传递，以达到飞机整体结构的平衡，因此需要准确模拟螺栓模型。传统上，一般是采用解析方法对螺栓连接的力学问题进行简化分析，并将分析结果和充分的实验结果结合进行相应的结构设计。在这种设计分析中，假设接头预紧后，螺母与螺头对被连接件的压力影响区为一空心截锥体，在计算被连接件的刚度时，用一刚度相当的当量圆筒代替被连接件，并将整个接头受到的轴向外力等效作用到螺栓杆上。由此导出的预紧螺栓接头在受到轴向外力作用时，螺栓的轴向伸长量与被连接件的轴向压缩量都随外力而线性变化。由于简化处理，解析计算的误差必然影响设计的精度，使设计达不到经济实惠的要求，导致浪费或安全事故。另一方面实体单元虽然精确，却要求每个零件及螺栓都要实体建模，建模过程复杂，计算效率低。

发明内容

本发明的目的是：设计一种通过螺栓连接的双面搭接件的建模方法，以解决目前螺栓连接建模中过程复杂，计算效率低的技术问题。

一种通过螺栓连接的双面搭接件的建模方法，该双面搭接件含有上层搭接件、中层搭接件和下层搭接件，三层搭接件分别设有相同直径的连接通孔，并通过同一个螺栓连接为一体结构，已知搭接件的设计参数及螺栓属性，螺栓的牌号计算螺栓的剪切刚度及拉伸刚度，其特征在于包含以下内容：1)根据搭接件的设计参数，建立搭接件的有限元模型，进行有限元网格划分；2)将上层搭接件与中层搭接件的接触面的连接通孔的中心作为第一重合节点，将中层搭接件和下层搭接件的接触面的连接通孔的中心作为第二重合节点；3)将上层搭接件连接通孔的孔壁上有限元节点和中层搭接件连接通孔的孔壁上有限元节点与第一重合节点连接形成第一刚体元，将下层搭接件连接通孔的孔壁上有限元节点与第二重合节点连接形成第二刚体元；4)将第一重合节点与第二重合节点连接形成弹簧元；5)根据螺栓的已知属性计算螺栓的刚度值，将螺栓的刚度值赋予上述的弹簧元中，模拟螺栓剪切刚度及拉伸刚度。

该建模方法步骤5)中通过公式(1)、公式(2)和公式(3)计算螺栓的刚度值；

首先，根据搭接件各层搭接板的厚度及搭接板的弹性模量以及螺栓的直径，通过公式(1)计算螺栓的弹性柔度系数C:

其中，d为螺栓直径；ts为上下搭接板的厚度；tp为中间搭接板的厚度；E为搭接板弹性模量；K_e为螺栓材料修正系数；对于铝钉，K_e＝1；对于钛钉，K_e＝0.77；对于钢钉，K_e＝0.67。

再将上述螺栓的弹性柔度系数C代入公式(2)即可获得计算螺栓的剪切刚度K₁：

通过公式(3)计算螺栓的拉伸刚度K₂：

其中，A为螺栓截面积，t_s为上下板的厚度，t_p为中间板的厚度，E₁为螺栓弹性模量。