[发明专利]一种六面体网格划分的螺栓及螺母有限元参数化建模方法

说明书

本发明提供了一种六面体网格划分的螺栓及螺母有限元参数化建模方法，包括以下步骤：S1：确定螺栓及螺母的几何特征；S2：确定螺栓及螺母的网格特征；S3：将螺栓沿轴向划分为螺帽区、螺杆区、过渡区及螺纹区，利用分段表达法构建垂直螺栓轴线方向的螺栓及螺母单截面节点坐标；S4：将所得的各个螺栓、螺母单截面节点沿螺栓轴线方向复制、平移、编号、旋转，从而构建整个螺栓和螺母模型节点坐标矩阵；S5：将步骤S4所得螺栓及螺母节点坐标按照有限元软件中八节点六面体单元节点连接次序规则；S6：将步骤S3和步骤S5得到的节点坐标及单元编号矩阵导出。本发明能够改善螺栓模型网格划分质量，兼顾连接仿真计算的求解精度和求解效率。

技术领域

本发明涉及螺栓有限元建模方法的技术领域，更具体地，涉及一种六面体网格划分的螺栓及螺母有限元参数化建模方法。

背景技术

相较于焊接和铆接，螺栓联接因成本低、装卸方便，外形美观而被广泛应用于各类机械结构中，其联接性能的好坏直接影响整个机械系统的整体性能。

有限元仿真在研究螺栓联结应力松弛、螺栓松动过程、螺纹齿根的应力集中等高精度性能分析方面拥有显著优势，是最为有力的螺栓连接性能分析手段。但由于螺纹的复杂几何形状，导致在螺纹网格划分比较困难，通常需要花费大量时间和精力在有限元预处理环节上，如何同时兼顾计算精度和求解效率，成为螺栓有限元分析的难点和热点问题。

现有的螺栓联接的有限元性能分析中，以轴对称的二维模型和三维四面体自由网格比较多见，轴对称模型忽略了螺旋效应，不能有效的分析应力集中、自松弛问题，而运用螺旋扫描和商业软件自带的三维四面体自由网格划分，虽然考虑了螺旋效应，但网格质量不佳，导致计算精度和求解效率不高。基于投影法描述的螺纹轮廓曲线，通过对螺纹处单层网格的不断幅值、平移、旋转、合并节点，得到普通螺纹螺栓全六面体网格连续、美观，网格质量较高，能够用于精确模拟螺纹间相互作用关系，但是该建模过程复杂，对于不同螺栓，需要重新手动建模，效率不高，并且，现有的建模方法要么需要多个软件协同作业，建模流程复杂，要么并未实现全部参数化，不能描述周向网格数目发生变化的情况。

因此，现有技术中亟需用于更精确分析螺栓联结压力分布、应力集中和自松弛等联结性能的螺栓、螺母有限元参数化建模方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种六面体网格划分的螺栓及螺母有限元参数化建模方法。

为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：

一种六面体网格划分的螺栓及螺母有限元参数化建模方法，包括以下步骤：

S1：确定螺栓及螺母的几何特征：螺栓的螺帽区、螺杆区、过渡区及螺纹区，其中螺帽厚度为L₁、螺帽半径为R₁、光杆长度为L₂、过渡区长度为N₁×P、螺纹区长度为N₂×P、螺栓公称直径为d，螺纹螺距为P、配套螺母厚度为N₃×P、螺母半径R₂；

S2：确定螺栓及螺母的网格特征：螺距内等分层数为t₁、螺帽等分层数为t₂、光杆等分层数为t₃、螺母径向等分数为n₁、螺帽径向等分数为n₂、螺栓杆径向等分数为n₃、螺栓及螺母周向等分数为N；

S3：将螺栓沿轴向划分为螺帽区、螺杆区、过渡区及螺纹区四个部分，四个部分拥有同一圆心，每个部分除螺纹区外螺纹部分外，截面半径呈线性变化规律，利用分段表达法构建垂直螺栓轴线方向的螺栓及螺母单截面节点坐标；

S4：将所得的各个螺栓、螺母单截面节点沿螺栓轴线方向复制、平移、编号、旋转，从而构建整个螺栓和螺母模型节点坐标矩阵；