[发明专利]基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取方法及装置

说明书

本发明提供一种基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取方法及装置，本方案通过采用实体模型模拟螺栓，最大限度地反应螺栓接头的真实刚度，提取截面内力时，通过建立螺栓接头的有限元模型进行大变形求解，得到计算结果，采用计算结果对螺栓的目标截面的中心的空间位移进行补偿，以该位置为矩心进行螺栓截面弯矩的提取，从而使内力精度得以保证。

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取方法及装置。

背景技术

大型风力发电机组的设计研发过程中需要针对机组关重零部件进行仿真设计，仿真精度的高低直接影响零部件的设计质量。近年来，伴随着计算机技术的高速发展，有限元数值分析方法(FEA，Finite Element Analysis)越来越多地被用于风力发电机组的设计研发中。螺栓连接是风力发电机组关重零部件之间的主要连接方式之一，其设计质量直接决定风力发电机组的整体可靠性。螺栓连接的设计计算必须基于复杂工况下螺栓的截面内力进行，行业内，主要基于有限元仿真分析进行复杂工况下螺栓的截面内力提取。

(1)在进行螺栓接头仿真分析时，若采用实体模型模拟螺栓，受限于技术瓶颈，有限元软件在进行螺栓截面弯矩提取时无法对矩心(即螺栓截面中心)在外载荷作用下发生的空间位移进行补偿，使得计算弯矩时的力臂有误，导致无法提取得到正确的螺栓截面弯矩；

(2)采用梁单元的建模方式虽然无上述技术瓶颈存在，但由于梁单元的建模方式会使得仿真分析模型中螺栓接头各部件的刚度分配和实际情况出入较大，导致仿真分析得到的螺栓截面内力误差较大，继而影响螺栓接头的设计质量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取方法及装置，以解决现有技术中存在的无法获取准确的矩心，进而难以获得正确的螺栓截面弯矩的技术问题。

一种基于有限元大变形求解的高精度螺栓内力提取方法，包括：根据螺栓几何尺寸建立实体模型，在所述实体模型中印记目标截面的位置，获取所述目标截面的中心作为初始截面中心，并对印记得到圆周线进行四等分切割；分别在所述初始截面中心处和所述四等分切割处布置节点，对所述实体模型进行网格离散；根据离散后的实体模型，建立螺栓接头的有限元模型，对所述有限元模型进行大变形求解，得到计算结果；基于计算结果提取所述初始截面中心发生的位移，使用所述位移对目标截面的中心位置进行修正，并计算螺栓的截面弯矩，得到螺栓内力。

在其中一个实施例中，所述目标截面在所述实体模型中，为从螺纹旋合段边界沿轴向方向，向螺栓中部移动预设距离的水平截面。

在其中一个实施例中，对所述实体模型进行网格离散步骤之前，还包括：随机在所述初始截面中除中心处和四等分切割处以外的位置布置多个节点。

在其中一个实施例中，对所述有限元模型进行大变形求解，得到计算结果步骤，包括：对所述有限元模型进行多步加载处理，得到每步加载对应的时刻，各节点的空间位移，以及对应时刻的大变形求解的计算结果。

在其中一个实施例中，所述多步加载分为预紧力加载和外载荷加载，其中所述外载荷加载分为多个载荷子步进行。

在其中一个实施例中，所述基于计算结果提取所述初始截面中心发生的位移对目标截面的中心位置进行修正，并计算螺栓的截面弯矩，得到螺栓内力步骤，包括：选取所述目标截面中心处节点以及任意两个相邻的四等分切割处节点作为目标节点，并获取所述目标节点的空间坐标；选取任意一步加载的时刻作为目标时刻，并获取对应的计算结果和所述目标节点对应的空间位移；根据所述目标节点的空间坐标和对应的空间位移，计算所述目标节点在所述目标时刻的目标空间坐标，得到目标截面中心处节点对应的目标中心坐标，以及两个相邻的四等分切割处节点对应的第一目标坐标和第二目标坐标；以所述目标中心坐标为原点，将所述第一目标坐标和所述第二目标坐标分别作为x轴、y轴正向方向，创建三维直角坐标系作为参考坐标系；基于目标中心坐标和所述参考坐标系，计算螺栓的截面弯矩，得到螺栓内力。