[发明专利]一种MJ螺栓及螺母有限元网格建模方法

摘要

一种MJ螺栓及螺母有限元网格建模方法，具体步骤如下：第一步：归纳螺栓及螺母的几何特征；第二步，螺栓螺纹零位置截面数学描述；第三步，螺母螺纹零位置截面数学描述；第四步，螺栓及螺母无螺纹区域有限元网格生成；第五步，螺栓及螺母螺纹节点偏移生成，通过对螺纹处网格进行节点移动可以获得螺纹的螺栓。本发明可以快速、有效生成带有螺纹结构特征的MJ螺栓、螺母有限元网格，该网格为六面体、共节点，可以有效避免采用TIE命令或四面体网格产生的误差，大幅提高计算精度。

主权项

1.一种MJ螺栓及螺母有限元网格建模方法，其特征在于，具体步骤如下：第一步：归纳螺栓及螺母的几何特征；螺栓的螺帽区、螺杆区及螺纹区，其中螺纹长度为L1、光杆长度为L2、螺帽厚度为L3、螺帽直径为D2；螺母的六面体及螺纹区，其中D为螺纹公称直径，d为公称半径，D1为螺母的外轮廓直径，H描述螺母的厚度；第二步，螺栓螺纹零位置截面数学描述；螺纹螺距为P，在螺纹区域划分为5部分区域：1、0～z1为螺纹根部倒圆角；2、z1～z2螺纹斜线部分；3、z2～z3螺纹尖角削平区域；4、z3～z4另一侧螺纹斜线部分；5、z4～P为螺纹根部倒圆角；将螺纹转换为柱坐标，将0点作为柱坐标原点，x轴偏向y轴为柱坐标θ角，那么在θ角等于0的时候，螺纹外轮廓描述为方程1：其中，第三步，螺母螺纹零位置截面数学描述；螺母内螺纹结构为六角有孔结构，将螺母螺纹两侧进行倒角处理，与第二步螺纹螺距P一致，采用P为螺纹螺距，在螺纹区域可以划分为5部分区域：1、0～z1为螺纹根部倒圆角；2、z1～z2螺纹斜线部分；3、z2～z3螺纹尖角削平区域；4、z3～z4另一侧螺纹斜线部分；5、z4～P为螺纹根部倒圆角；将螺纹转换为柱坐标，将0点作为柱坐标原点，x轴偏向y轴为柱坐标θ角，那么在θ角等于0的时候，螺纹内轮廓可以描述为方程2：其中，第四步，螺栓及螺母无螺纹区域有限元网格生成：采用有限元软件进行前处理，得到结构的节点及单元文件，对螺纹区域网格细网格来考核螺纹受力状态，其它区域可以减少网格密度；轴向方向螺纹的端头z2～z3位置应该至少有两个网格，其中P为螺纹螺距，那么螺纹网格尺寸最大为0.05P，轴向方向网格密度要小于0.05P，将远离螺纹的区域加粗9倍网格密度，粗网格和细网格之间通过两层3个网格到一个网格转变，螺纹厚度选取4层网格；径向方向靠近螺纹区域网格较小，远离螺纹区域网格较大，在螺纹考核区域径向64层网格，远离螺纹加粗3倍网格密度，螺杆中间网格进一步加粗，通过两个网格和其它6个网格相连，相关的细网格和粗网格之间选用一层3个网格转换到一个网格的方法；第五步，螺栓及螺母螺纹节点偏移生成；通过上述第四步可以建立起无螺纹螺栓有限元网格模型，通过对螺纹处网格进行节点移动可以获得螺纹的螺栓；通过确定网格节点坐标(x，y，z)是否在螺纹生成区域，然后再确定节点相对于z轴旋转角度θ，最后，通过节点坐标z及θ确定角度螺纹空间曲面；确定网格节点是否属于螺纹区域可以由方程3确定：当确定了节点是否在螺纹区域后，再采用柱坐标θ乘以螺纹螺距P得到一个螺纹周期内螺纹选择上升距离Ls，(z‑Ls)/P取整，可以得到该节点在第几个螺纹处，结合方程1获得该节点那一个螺牙区域，对节点按照所得螺牙在方程1中区域内螺纹区域进行挤压，将各个节点在R到进行径向挤压，其极坐标半径具体可以由方程4表示：其中，R为螺纹上升距离的变换，d＝D/2，r为挤压前节点在该区域的极坐标半径；通过对螺栓无螺纹状态下螺牙处节点的挤压可以获得螺栓含有螺纹的网格，通过修改螺纹的半径参数可以获得包括公差在内的各种规格的有螺纹螺栓。