[发明专利]一种螺栓选型方法及使用该方法获得的螺栓

说明书

本发明提出一种螺栓选型方法，能够更准确的模拟螺栓连接刚度，有限元分析给出的螺栓横向和轴向载荷与实际接近。利用有限元分析得到螺栓载荷作为输入，再使用成熟可靠的经验公式进行校核选型，而不是直接使用有限元分析的得到的螺栓应力进行校核。充分利用了有限元法和经验公式各自的优点，提升了选型准确度。基于本发明的上述技术方案，在车型开发的概念阶段即可完成螺栓的校核优化。仅靠有限元仿真和经验公式计算就能达到合理的选型精度，无需任何物理试验，从而节省了车型开发成本，缩短了研发周期。

技术领域

本发明涉及螺栓设计选型领域，特别涉及一种螺栓选型方法及使用该方法获得的螺栓。

背景技术

螺栓是机械领域最为常用的基础性零部件之一，对于关键位置的螺栓的选择需要严格遵循螺栓的设计及选型要求进行，选择合适的螺栓对于节省材料、增加构件的稳定和寿命至关重要。

现有技术中，螺栓的选型较为常见的方式是依赖机械设计手册给出的经验公式进行校核计算，但是经验公式通常需要给定明确的使用场景下螺栓所承受的轴向和横向载荷，而在面对多个螺栓复杂结构时，单个螺栓的所承受的轴向和横向载荷无法通过理论和经验方法获得，实际上要想获得精准的单个螺栓的轴向和横向载荷，仅能通过实际测量，但是上述手段在结构进行设计之初是无法实现的。因此在实际用中，只能做大致估算，导致选型偏于保守。

作为替代选型设计方法，有限元分析能够模拟螺栓连接结构在各种工况下的变形和应力，进而可得到满足设计要求的螺栓，但如果要保证螺栓应力结果精度足够，必须建立3D螺栓精细网格模型，螺栓连接的零件建立接触对，准确设置摩擦系数，还要设法模拟螺栓预紧力，计算中需要考虑多重非线性因素，必须反复设置调整参数试算才能保证精度和收敛性，建模复杂，操作繁琐，计算量大，因此所以上述这种精细仿真方案只能处理含少量螺栓的简单结构，并不适用于大量螺栓选型设计的计算分析。

因此为了更好上述有限元分析方法，较为便宜的处理计算普通型的螺栓，因此在上述方法的基础上，面对复杂结构的多螺栓通常进行有限元分析时通常要对螺栓连接做简化建模。当前的简化建模方式主要有两种。

第一种是全刚性单元方案，螺杆和螺栓头、螺母均使用刚性单元模拟。该方案建模更加简单，适用于大规模分析。该方案将螺栓连接简化为理想刚性连接，在分析时模型所采用的的连接刚度高于实际情况，且分析模型情况下刚性单元不具有质量，导致采用上述分析方案时完全忽略了螺栓自身质量以及实际连接刚度所带来的影响，特别上述误差在动力学分析中将造成更加严重的误差，表现更加明显。

第二种是弹性梁单元加刚性单元方案，具体而言使用弹性梁单元模拟螺杆，梁单元的横截面直径取螺栓公称直径，使用刚性单元模拟螺栓头和螺母，将螺杆模拟的弹性梁单元端点与螺孔周边结点相连。上述分析模型方案建模简单，适用于大规模分析，但是缺陷仍然很明显。在上述分析模型中，螺栓所固连的两个部件间连接刚度仅由分析模型中的弹性梁单元提供模拟，但对于实际使用过程中的紧螺栓连接，通常在预紧力的作用下，螺栓所连接的两部件接合面的连接强度分布并不均匀，靠近于螺栓公称直径范围内的区域紧密贴合，形成类似粘接的牢固连接，在这种情形下两部件间实际连接刚度远大于螺杆自身刚度；另，该分析模型中仅螺杆弹性梁单元具有质量，分析模型下模拟螺栓头和螺母的刚性单元不具有质量，导致螺栓模型质量比实际小，上述分析模型同样存在分析误差，而且上述误差在动力学分析过程汇总表现更加明显。

因此上述两种螺栓简化建模方法都不能精确的模拟螺栓的连接刚度，分析所获得螺栓载荷与实际偏差较大，再加上未充分考虑摩擦、接触和预紧力的影响，导致螺栓应力结果不准确，所以根据螺栓应力结果校核螺栓经常得到错误的选型方案，造成设计缺陷。

发明内容

针对上述情况，本发明之目的就是提供一种螺栓选型方法，目的在于经验公式法及有限元分析在实际使用中无法准确获得合适螺栓，螺栓选型、模型分析不准确的问题。

其技术方案是：