[发明专利]一种无源松动预警螺栓的结构优化方法及装置

权利要求书

1.一种无源松动预警螺栓的结构优化方法，应用于对无源松动预警螺栓进行结构参数设计，其特征在于，所述无源松动预警螺栓包括螺栓本体、套筒、螺母和行程弹簧；所述螺栓本体由上至下依次固定连接有螺栓头、方形螺柱和圆形螺柱；

所述套筒套设于所述螺栓本体上，所述套筒的内部上部分为圆形孔，所述套筒的内部下部分为方形孔，所述圆形孔的孔径与所述螺栓头的半径相等，所述圆形孔的孔深大于所述螺栓头的高度，所述方形孔的边长与所述方形螺柱的边长相等，所述行程弹簧套设于所述方形螺柱的外壁，所述行程弹簧与所述圆形孔的结构相适配，从而使得所述螺栓头和所述方形螺柱卡接于所述套筒的内部；所述螺栓头与所述圆形孔衔接的侧壁设有颜色涂层；

所述圆形螺柱的下部外壁沿圆周方向设有螺纹，所述螺母与所述螺纹配合螺纹连接，待固定连接件套设于所述螺母与所述套筒之间；

当所述无源松动预警螺栓处于松动状态时，所述螺栓头的上表面高于所述套筒的上表面，从而使所述套筒未完全覆盖所述颜色涂层；

当向所述螺母施加预设的预紧力，使得所述螺母与所述螺纹配合螺纹连接并处于正常拧紧状态时，通过所述行程弹簧压缩形变驱使所述螺栓头的上表面与所述套筒的上表面位置平齐且所述套筒完全覆盖所述颜色涂层，其中，所述正常拧紧状态为所述套筒与所述螺母配合使所述待固定连接件处于最大紧固限度，同时，满足以下力学平衡关系式，

上式中，F为预设的预紧力，k为行程弹簧的弹性系数，Δl为行程弹簧的形变长度，h₁为螺栓头的高度，h₂为圆形孔的孔深，l为行程弹簧的初始长度；

对所述无源松动预警螺栓进行结构参数设计的方法，包括以下步骤：

S1、基于有限元软件建立处于所述正常拧紧状态下的所述无源松动预警螺栓的有限元几何模型；

S2、判断所述有限元几何模型是否满足处于所述正常拧紧状态下的约束条件，若判断不满足，则调整所述无源松动预警螺栓的结构参数，重新执行步骤S1，若判断满足，则执行步骤S3；

S3、利用有限元方法计算所述有限元几何模型在静载荷情况下的应变程度，根据所述应变程度通过预置公式计算von Mises应力和剪切应力；

S4、根据所述von Mises应力和所述剪切应力判断所述无源松动预警螺栓的结构参数是否满足预设的设计要求，若上述判断为满足，则输出相应的所述无源松动预警螺栓的结构参数，若上述判断为不满足，则调整所述无源松动预警螺栓的结构参数，重新执行步骤S1直至所述无源松动预警螺栓的结构参数满足所述预设的设计要求。

2.根据权利要求1所述的无源松动预警螺栓的结构优化方法，其特征在于，步骤S1之前包括：

S0、向有限元软件输入所述无源松动预警螺栓和所述待固定连接件的结构参数，所述结构参数包括几何参数和物理参数。

3.根据权利要求1所述的无源松动预警螺栓的结构优化方法，其特征在于，所述约束条件包括：

当所述行程弹簧处于最大压缩限度时，所述螺栓头的上表面与所述套筒的上表面位置平齐；

所述行程弹簧处于初始状态下的半径满足大于所述方形螺柱的外接圆的半径，且小于所述螺栓头的半径；

当所述无源松动预警螺栓处于所述正常拧紧状态时，满足所述力学平衡关系式。

4.根据权利要求1所述的无源松动预警螺栓的结构优化方法，其特征在于，步骤S3具体包括：

S301、利用有限元方法计算所述有限元几何模型从初始位置在静载荷的作用下的位置变化量，从而得到所述应变程度；

S302、在所述有限元几何模型的所在空间建立笛卡尔坐标系，根据材料力学的胡克定律，通过所述应变程度计算所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力；

S303、基于畸变能密度理论，根据所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力计算von Mises应力；

S304、根据所述有限元几何模型在笛卡尔坐标系下三个方向的主应力计算剪切应力。

5.根据权利要求1所述的无源松动预警螺栓的结构优化方法，其特征在于，所述预设的设计要求具体为，所述von Mises应力小于预设的抗剪强度，同时，所述剪切应力小于预设的屈服强度。