一种基于分区域薄层单元法的螺纹简化建模方法技术

一种基于分区域薄层单元法的螺纹简化建模方法，属于航空发动机/燃气轮机结构有限元仿真技术领域，包括如下步骤：步骤1：建立带有螺纹的机匣安装边螺栓连接结构有限元模型；步骤2：对步骤1建立的螺栓连接结构模型进行网格划分，确定网格化的螺栓连接结构模型；步骤3：对步骤2网格划分后的模型设置约束边界条件和载荷边界条件；步骤4：通过有限元计算得到螺栓连接结构螺纹处接触应力分布情况，获取螺纹处应力值具有明显差距的节点位置坐标，并以此作为划分区域的边界点等。本发明专利技术通过对带有螺纹的螺栓连接结构进行分区域薄层单元建模，为带有螺纹的螺栓连接结构有限元仿真提供了可靠的建模方法，减少了螺栓连接结构刚度分析时的误差。误差。误差。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分区域薄层单元法的螺纹简化建模方法


[0001]本专利技术属于航空发动机/燃气轮机结构有限元仿真
，具体涉及一种基于分区域薄层单元法的螺纹简化建模方法。

技术介绍

[0002]大部分机械结构都是通过螺栓连接起来的，螺栓连接结构有着易于装配/拆卸、可重复使用等特点，被广泛用于航空发动机/燃气轮机部件连接中。航空发动机/燃气轮机机匣安装边通常需要承受较大的载荷，正确模拟其结构的受力状态尤为重要。然而螺栓连接结构复杂，螺纹处接触部位会产生许多非线性因素，而有限元进行模态分析时，这些非线性特征则很难被处理，往往会出现计算时间过长甚至结果不收敛等情况，进而导致非线性接触算法在模态分析中难以适用。因此工程上通常采用忽略螺纹的简化方法处理螺栓，这种方法在不关注螺栓连接内部力学相应特征的问题研究中是可行的，但是对于一些重要部位的螺栓连接，例如航空发动机/燃气轮机结构的主连接螺栓，往往需要关注螺栓连接的松弛、断裂等问题，此时，螺栓连接内部的力学响应规律是进行螺栓预紧设计和强度设计的关键，因此，准确的建立螺栓连接结构模型是分析螺栓连接刚度特性的基础。近年来的研究表明，当螺栓预紧力足够大或者外激励幅值比较小的情况下，可以忽略螺栓连接结构的非线性性质，将其线性化处理。随着有限元理论的发展和计算机存储、计算能力的提升，人们开始采用实体单元对航空发动机进行高保真建模，并且忽略螺栓连接结构的非线性特性，并由此出现了应用于模拟螺栓与螺栓连接界面的薄层单元法模型。
[0003]薄层单元法是指在相邻接触体之间定义一层能够模拟接触力学特征的虚拟材料，以界面虚拟材料的力学性能参数来等效模拟实际的界面接触刚度，使用整块薄层来代替螺纹及预紧力的作用。因此，薄层单元法可以模拟复杂机械中的螺栓连接结构并保持结构的完整性，并能够较准确地表征连接处的线性刚度特性，修正后的模型可以用于后续的模态分析和稳态响应分析，并且能和实体单元相结合建立高保真整机模型。
[0004]但是该方法也存在其缺陷，首先，在有限元建模过程中，薄层单元厚度的选取决定着薄层单元模拟结果的准确性，如果选取厚度过大，薄层单元就相当于实体单元，不能起到模拟的效果；厚度过小则会导致模型计算困难，因此薄层单元的厚度选取至关重要。其次，由于薄层单元材料参数的确定几乎均需要依靠相关的实验数据，所以对于复杂机械结构，由于条件的限制，很多试验难以获取或者根本无法获得合适的试验数据，并且由于螺栓连接结构螺纹处的刚度非均匀分布，普通的薄层单元法不能准确的模拟不同应力下的刚度分布，无法考虑螺栓连接螺纹处接触刚度分布不均的问题，导致结果必须通过试验数据进行修正。因此，在航空发动机/燃气轮机整机建模和动力特性分析过程中应用薄层单元法还存在一定的局限性和不足。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于分区域薄层单元法的螺纹简化建模方
法，通过对带有螺纹的螺栓连接结构进行建模分析，得到螺纹处应力分布情况，并基于该情况建立能够考虑螺栓连接螺纹处接触刚度分布不均的问题的有限元模型，从而解决预紧力足够大或外激励幅值较小时，因螺栓连接结构螺纹处的刚度非均匀分布而普通的薄层单元法不能准确的模拟不同应力下的刚度分布，导致结果必须通过试验数据进行修正的问题，进而为带有螺纹的螺栓连接结构有限元仿真提供更为真实可靠的理论模型。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：一种基于分区域薄层单元法的螺纹简化建模方法，包括如下步骤：步骤1：建立带有螺纹的机匣安装边螺栓连接结构有限元模型；步骤2：对步骤1建立的螺栓连接结构模型进行网格划分，确定网格化的螺栓连接结构模型；步骤3：对步骤2网格划分后的模型设置约束边界条件和载荷边界条件；步骤4：通过有限元计算得到螺栓连接结构螺纹处接触应力分布情况，获取螺纹处应力值具有明显差距的节点位置坐标，并以此作为划分区域的边界点；步骤5：通过曲面拟合功能将步骤4所获取的边界离散点拟合为曲面；步骤6：计算得到整体薄层单元的厚度；步骤7：建立使用薄层单元代替螺纹的螺栓几何模型，并以步骤5得到的曲面作为边界划分薄层单元各个区域；步骤8：计算步骤7划分出的各个区域薄层单元的接触刚度；步骤9：计算步骤7划分出的各个区域薄层单元的弹性模量；步骤10：将步骤9所计算出的各个区域薄层单元的弹性模量等参数设置到步骤7所建立的模型中。
[0007]进一步地，所述步骤1具体为：将机匣安装边的扇形螺栓连接件简化为“L”形梁，建立简化后的无薄层机匣安装边螺栓连接结构模型；所述步骤2具体为：选择六面体网格对步骤1建立的无薄层机匣安装边螺栓连接结构模型进行网格划分，将机匣安装边和螺栓模型网格单元尺寸设置为1mm，同时对螺纹处进行网格加密处理，将螺纹接触面处网格单元尺寸设置为0.5mm。
[0008]进一步地，所述步骤3具体为：首先将接触位置设置为摩擦接触，摩擦系数为0.15，接触设置采用增强拉格朗日算法，对螺栓结构设置螺栓预紧力，对模型的一端设置为固定约束，另一端施加垂直向上的轴向载荷，载荷分两步加载，第一步施加预紧力，第二步将预紧力锁死同时施加其余载荷。
[0009]进一步地，所述步骤4具体为：通过有限元计算得到螺纹处接触应力分布情况，使用Ansys Workbench求解系统中的探针功能找到应力值差距较大、呈明显区域化分布的节点及其位置坐标，以此作为划分区域的边界点。
[0010]进一步地，所述步骤5具体为：使用UG软件中曲面拟合功能对所获得的各个边界位置坐标进行处理，得到三个顺滑的边界曲面。
[0011]进一步地，所述步骤6具体为：通过公式（1），计算薄层单元的厚度，（1）式中Ratio为比例系数；D为螺栓连接公称直径；t为薄层单元的厚度。
[0012]进一步地，所述步骤7具体为：对螺栓连接机匣模型进行修改：保留螺栓连接结构的螺母和螺杆部分，删除螺纹并增加薄层单元，利用分区域薄层单元法对薄层单元划分。
[0013]进一步地，所述步骤8具体为：通过公式（2）计算得到机匣安装边螺栓连接结构螺纹处各个区域不同接触应力下的单位法向接触刚度（2）式中δ
∗
为接触参数；E
R
和E
X
分别为螺栓与螺母的弹性模量；μ
R
和μ
X
分别为螺栓与螺母的泊松比；α
i
为螺纹接触区域i的螺旋角；β
i
为螺纹接触区域i的接触角；F
n
为两个螺纹之间的法向接触载荷；F
ave
为平均轴向载荷；Σρ为两个接触面的主曲率和函数；K
r
为单元单位面积上法向接触刚度。
[0014]进一步地，所述步骤9具体为：通过公式（8）计算得到不同区域薄层单元的弹性模量（8）式中E
s
，A，t，K
r
分别为各部分结构的弹性模量、横截面积、厚度和接触刚度。
[0015]进一步地，所述步骤10具体为：在Workbench中进行工程数据修改，对每个薄层区域分别设置其参数，即将上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分区域薄层单元法的螺纹简化建模方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：建立带有螺纹的机匣安装边螺栓连接结构有限元模型；步骤2：对步骤1建立的螺栓连接结构模型进行网格划分，确定网格化的螺栓连接结构模型；步骤3：对步骤2网格划分后的模型设置约束边界条件和载荷边界条件；步骤4：通过有限元计算得到螺栓连接结构螺纹处接触应力分布情况，获取螺纹处应力值具有明显差距的节点位置坐标，并以此作为划分区域的边界点；步骤5：通过曲面拟合功能将步骤4所获取的边界离散点拟合为曲面；步骤6：计算得到整体薄层单元的厚度；步骤7：建立使用薄层单元代替螺纹的螺栓几何模型，并以步骤5得到的曲面作为边界划分薄层单元各个区域；步骤8：计算步骤7划分出的各个区域薄层单元的接触刚度；步骤9：计算步骤7划分出的各个区域薄层单元的弹性模量；步骤10：将步骤9所计算出的各个区域薄层单元的弹性模量等参数设置到步骤7所建立的模型中。2.根据权利要求1所述的一种基于分区域薄层单元法的螺纹简化建模方法，其特征在于，所述步骤1具体为：将机匣安装边的扇形螺栓连接件简化为“L”形梁，建立简化后的无薄层机匣安装边螺栓连接结构模型；所述步骤2具体为：选择六面体网格对步骤1建立的无薄层机匣安装边螺栓连接结构模型进行网格划分，将机匣安装边和螺栓模型网格单元尺寸设置为1mm，同时对螺纹处进行网格加密处理，将螺纹接触面处网格单元尺寸设置为0.5mm。3.根据权利要求1所述的一种基于分区域薄层单元法的螺纹简化建模方法，其特征在于，所述步骤3具体为：首先将接触位置设置为摩擦接触，摩擦系数为0.15，接触设置采用增强拉格朗日算法，对螺栓结构设置螺栓预紧力，对模型的一端设置为固定约束，另一端施加垂直向上的轴向载荷，载荷分两步加载，第一步施加预紧力，第二步将预紧力锁死同时施加其余载荷。4.根据权利要求1所述的一种基于分区域薄层单元法的螺纹简化建模方法，其特征在于，所述步骤4具体为：通过有限元计算得到螺纹处接触应力分布情况，使用Ansys Workbench求解系统中的探针功能找到应力值差距较大、呈明显区域化分布的节点及其位置坐标，以此作为划分区域的边界点。5.根据权利要求1所述的一种基于分区域薄层单元法的螺纹简...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾延廷，张宇航，田晶，关焦月，刘玉，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：