有限元分析中初始化螺栓预紧力的改进方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种有限元分析中初始化螺栓预紧力的改进方法和系统。根据本发明专利技术的方法使用ＦＥＡ模型中的梁单元为每个螺栓建模。为了将期望的预紧力施加给一个或多个螺栓，规定了至少一条预紧力对比时间曲线，每条预紧力对比时间曲线包括斜坡部分、期望预紧力部分、以及可选的卸载部分。斜坡部分从零开始，以完全线性的方式达到期望的预紧力，因此被配置用于以较小的增量将期望的预紧力逐渐应用于螺栓。期望预紧力部分被配置用于确保期望的预紧力在初始化的过程中（一系列的准静态分析）被实际施加到梁单元上。由于该方法不受梁的变形的影响，因此该方法完全避免了需要重复确定轴向应变或者位移以得到期望的预紧力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及计算机辅助工程分析中使用的方法、系统和软件产品，更具体 地说，涉及 一 种有限元分析中初始化独立于轴向应变的螺栓预紧力(pretension)的方法，所述有限元分析用于对其中包括有螺栓连接的结构的 结构响应进行模拟。
技术介绍
有限元分析(FEA)是一种计算机实现的方法，在工业中被广泛用于建模 和解决与复杂系统相关的工程问题，例如三维非线性结构设计和分析。FEA的名字来自以下事实被考察的物体的几何形状是特定的。随着现代数字计算 机的出现，FEA已经作为FEA软件被实施。基本上，FEA软件设有几何形状 描述的模型、以及在模型内的每个点处的相关材料特性。在这个模型中，被分 析系统的几何形状由不同尺寸的实体(solid)、壳(shell)和梁(beam)来表 示，这些实体、壳和梁被成为单元。各单元的顶点被称为节点(node)。该模 型包括有限数量的单元，这些单元被赋予与材料特性相关的材料名。因此该模 型代表了被分析物体及其即刻环境(immediate surrounding)所占据的物理空 间。然后，FEA软件涉及一个表格，每种材料类型的特性被列在该表格中(例 如，应力-应变构成等式、杨氏模量、泊松比、导热性)。另外，指定了物体的 边界条件(也就是，负荷、物理约束等)。用这种方式生成物体及其环境的模 型。FEA越来越受到汽车制造厂商的欢迎，用于优化汽车的空气动力学性能 和结构整体性。同样地，飞机制造厂商依靠FEA在第一个原型被研发出来之 前很久就能预知飞机的性能。受欢迎的FEA任务之一是模拟碰撞事件，例如 汽车或卡车的防撞性。与防撞性模拟有关的一个问题是正确地模拟两个部件(尤其是卡车中的两个部件)之间的螺栓接合或者连接。螺栓连接的一般目的是将两个或多个部件夹紧在一起。夹持力通过向螺栓头和螺帽施加扭矩来实现；扳手和螺纹的机械优点使得能够拉伸螺栓头和螺帽 之间的螺栓部分(也就是被称为紧固部(grip))，这在螺栓中产生了拉力。该 拉力被称为预紧力，因为在任何其它的力被施加到螺栓连接之前，它就存在了。 预紧力通过螺栓头、螺帽和可能出现的任何垫片传递到相配合的部件。它将相 互配合的部件挤压在一起，并且如果螺栓连接被合适设计、组装和维护，它可 防止相互配合的部件在正常的负荷下分开或者滑动。预紧力需要被实际地模拟，从而在有限元分析中对螺栓接合或者连接正确 地进行模拟。许多现有技术中的方法不仅在FEA模型的生成中、而且在其实 际模拟中对用户来说都是麻烦和/或单调乏味的。在一个例子中，现有技术中 的方法要求用户指定每个螺栓都具有预定的轴向拉伸。这可以通过许多方法来 实现，例如，包括使用热梯度来产生拉伸，或者仅仅设置与预定的拉伸对应的 轴向应力值。由于典型的FEA模型在接近的地方可能包含好几百个螺栓，所 导致的互相影响可能使很多螺栓产生不准确的预紧力。在模拟的初始阶段，用 户必须非常注意，以确保FEA模型中的各个以及每一个螺栓都确实实现了正 确的预紧力。当螺栓的数量非常有限，并且这些螺栓并不位于完全不同的方位 时，这种现有技术的方法可能能够起作用。在另一种现有技术的方法中，每个 螺栓都由梁单元表示，其轴向应力通过规定两个梁端部节点的动作来反复确 定。当达到期望的轴向应力时，将引入约束，用于在两个梁端部节点之间产生 刚性连接。螺栓预紧力不能达到期望水平的主要原因是螺栓连接内的板或者其 它组件的变形。在另一个例子中，需要有非常详细的螺栓模型(例如，多个实 体单元)来确保预紧力为内部应力。因此，期望能有在有限元分析中初始化螺栓预紧力的改进方法。
技术实现思路
本专利技术公开了一种用于在有限元分析中数字初始化独立于轴向应变的螺 栓预紧力的系统、方法和软件产品。螺栓接合或者连接中的螺栓的预紧力是根6据物理数据(例如，用于拧紧螺栓的扳手的扭矩)确定的。当在一结构(例如， 汽车，卡车等)中有一个以上的螺栓时，每个螺栓会有不同的预紧力，且每个 螺栓可能位于不同的方位。在本专利技术的另一方面中，使用有限元分析模型中的 梁单元为每个螺栓建模。每个梁单元包括与螺栓的两个端部对应的两个端部节 点。为了将期望的预紧力应用于一个或多个螺栓，需规定至少一条预紧力对比时间(pretension-versus-time)曲线。每一预紧力对比时间曲线包括斜坡部分、 期望预紧力部分、以及可选的卸载部分。预紧力对比时间曲线的持续时间通常 占汽车抗撞击分析的总模拟时间(大约100ms或者O.ls)的最初0.5-1%。斜 坡部分从零开始，以完全线性的方式达到期望的预紧力，因此被配置用于以较 小的增量将期望的预紧力逐渐应用于螺栓。期望预紧力部分被配置用于确保期 望的预紧力能在初始化的过程中(一系列的准静态分析)被实际施加到梁单元 上。由于可以独立于梁的变形或者独立于轴向应变对螺栓施加期望的预紧力， 根据本专利技术的一个方面的方法克服了在现有技术的方法中遇到的问题。特别 是，本专利技术的方法完全避免了需要重复确定轴向应力或者位移来得到期望的预 紧力。卸载部分被配置用于发出已经达到期望预紧力并己经施加到螺栓的信 号。准静态分析可通过动力学松弛法(implicit solution)或者隐式解法(implicit solution)来进行。另一方面，螺栓预紧力的终止可以通过检查解法周期(solution cycle)中的整体结构能量(也就是，内部能量或/和动能)平衡来确定，该解 法周期与预紧力对比时间曲线中期望预紧力部分相对应。一旦已经检测到或确 定整体结构能量平衡，螺栓预紧力的初始化完成并终止。在加载负荷的斜坡部 分，整体能量是增加的，当所有的螺栓都已经被加载至曲线的期望预紧力部分 后，能量平衡变成可能。根据一个实施例，本专利技术是有限元分析中初始化独立于轴向应变的螺栓预 紧力的改进方法，所述有限元分析用于对其中包括有螺栓连接的结构的结构响 应进行模拟，所述方法至少包括以下步骤定义一个或多个螺栓，每一个都作 为有限元分析中有限元分析模型中的梁单元；定义至少一条预紧力对比时间曲 线，用于规定所述一个或多个螺栓中每一个的期望预紧力，其中所述至少一条预紧力对比时间曲线包括斜坡部分、期望预紧力部分以及可选的卸载部分；在 占据有限元分析内预紧力对比时间曲线的斜坡部分的解法周期中执行第一系 列的准静态分析；在占据有限元分析内预紧力对比时间曲线的期望预紧力部分 的解法周期中执行第二系列的准静态分析；当已经检测到或者确定第一和第二 螺栓预紧力终止条件中任一个条件时，通过终止第二系列的准静态分析完成初 始化螺栓预紧力。执行第二系列的准静态分析的方法还包括增加新解法周期的解法时间； 识别出将在新解法周期中被排除的一组螺栓；以及在没有所述将被排除的一组 螺栓的情况下执行第二系列的准静态分析之一，直至解法时间超出期望预紧力 部分的终止点，其中通过识别所述一个或多个螺栓中的哪一个已经被检测到并 确定被卸载，来确定所述将被排除的一组螺栓。第一螺栓预紧力初始化终止条 件包括整体结构能量平衡，而第二螺栓预紧力初始化终止条件包括已经检测到 并确定所述一个或多个螺栓全部被卸载。通过以下结合附图对具体实施方式的详细描述，本专利技术的其他目的、特征 和优点将会变得显而易见。附图说明参照以下的描述、后附的权利要求和附本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在有限元分析中初始化独立于轴向应变的螺栓预紧力的改进方法，所述有限元分析用于对其中包括有螺栓连接的结构的结构响应进行模拟，其特征在于，所述方法包括：　定义一个或多个螺栓，每一个螺栓都作为有限元分析中有限元分析模型中的梁单元；　 　定义至少一条预紧力对比时间曲线，用于规定所述一个或多个螺栓中每一个螺栓的期望预紧力，其中所述至少一条预紧力对比时间曲线包括斜坡部分、期望预紧力部分以及可选的卸载部分；　在占据有限元分析内预紧力对比时间曲线的斜坡部分的解法周期中执行第 一系列的准静态分析；　在占据有限元分析内预紧力对比时间曲线的期望预紧力部分的解法周期中执行第二系列的准静态分析；以及　当已经检测到或者确定第一和第二螺栓预紧力终止条件中任一个条件时，通过终止第二系列的准静态分析完成初始化螺栓预紧 力。

【技术特征摘要】
US 2008-9-25 12/238,2371、一种在有限元分析中初始化独立于轴向应变的螺栓预紧力的改进方法，所述有限元分析用于对其中包括有螺栓连接的结构的结构响应进行模拟，其特征在于，所述方法包括定义一个或多个螺栓，每一个螺栓都作为有限元分析中有限元分析模型中的梁单元；定义至少一条预紧力对比时间曲线，用于规定所述一个或多个螺栓中每一个螺栓的期望预紧力，其中所述至少一条预紧力对比时间曲线包括斜坡部分、期望预紧力部分以及可选的卸载部分；在占据有限元分析内预紧力对比时间曲线的斜坡部分的解法周期中执行第一系列的准静态分析；在占据有限元分析内预紧力对比时间曲线的期望预紧力部分的解法周期中执行第二系列的准静态分析；以及当已经检测到或者确定第一和第二螺栓预紧力终止条件中任一个条件时，通过终止第二系列的准静态分析完成初始化螺栓预紧力。2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有限元分析模型被配 置为表示抗撞击模拟中的汽车或卡车。3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个螺栓中的 每一个螺栓都对应所述至少一条预紧力对比时间曲线中的一条。4、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述斜坡部分被配置成使 得期望的预紧力以较小的增量逐渐施加到所述一个或多个螺栓中每一个螺栓。5、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述第一和第二 系列的准静态分析过程中覆盖计算出的轴向应力。6、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述第一和第二 系列的准静态分析中应用阻尼，使得结构响应的高频模式被更快的衰减。7、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，执行所述第二系列的准静 态分析进一步包括摘hn垒^ 力+-田卄q tV4船、、/+. 口vf fm項乂JU泰I 口，千仏/口J别口:j附仏y、J l日J 识别出将在新解法周期中被排除的一组螺栓；；以及在没有所述将被排除的一组螺栓的情况下执行第二系列的准静态分析之 一，直至解法时间超出期望预紧力部分的终止点。8、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将被排除的一组螺栓 是通过识别所述一个或多个螺栓中的哪一个己经被检测到并确定被卸载来确 定的。9、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第一螺栓预紧力初始化终 止条件包括整体结构能量平衡10、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，第二螺栓预紧力初始化终 止条件包括已经检测到并确定所述一个或多个螺栓全部被卸载。11、 一种计算机可记录的存储媒介，包括通过一方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰O霍尔奎斯特，
申请(专利权)人：利弗莫尔软件技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]