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一種MJ螺栓及螺母有限元網(wǎng)格建模方法與流程

文檔序號:11950983閱讀:1536來源:國知局
一種MJ螺栓及螺母有限元網(wǎng)格建模方法與流程

本發(fā)明屬于有限元仿真領(lǐng)域,具體涉及航天飛行器MJ螺栓及螺母有限元網(wǎng)格生成方法。



背景技術(shù):

螺栓連接在航天結(jié)構(gòu)研制過程中廣泛使用。從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)力、力矩傳遞;結(jié)構(gòu)密封;慣組、電纜等結(jié)構(gòu)安裝都大量使用到螺栓連接。但是,由于螺紋連接的相對密封性導(dǎo)致我們無法直接對其測量,只能間接采用測力墊圈、引伸計、超聲波等方式測量螺栓整體結(jié)構(gòu)的變形及滑動,而螺紋由于相互咬合導(dǎo)致螺紋根部力學(xué)環(huán)境尤其惡劣。

采用有限元仿真是研究其力學(xué)性能的重要手段,但是螺紋劃分比較困難,需要花費大量時間在網(wǎng)格劃分上。目前大部分采用TIE或四面體網(wǎng)格劃分。為了避免這兩種網(wǎng)格生成的計算誤差,需要發(fā)展一種方法可以快速有效生成共節(jié)點、六面體網(wǎng)格。

中南大學(xué)何競飛所寫論文“螺栓聯(lián)接的精確建模與有限元分析”采用了日本YAMATOTO教授所使用的投影法描述輪廓的。但是該方法公式較為復(fù)雜且需要節(jié)點合并,剔除;西安交通大學(xué)洪軍等人申請的專利,專利申請?zhí)枺?01110302715.9,雖然采用網(wǎng)格輪廓節(jié)點法,但是該方法只能描述螺距內(nèi)軸向17個有限數(shù)目網(wǎng)格,且對于工程直徑較大螺栓或螺母會導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)目少,計算精度差。且無法擴展到左旋、右旋以及工差等實際工程問題。

本發(fā)明采用了直接螺紋輪廓描述法,目的在于提供MJ螺紋的共節(jié)點、六面體有限元網(wǎng)格生成方法??梢詾椴煌W(wǎng)格大小、不同坐標(biāo)系、非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)提供螺紋生成。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

針對上述問題,本發(fā)明提供了一種MJ螺紋的共節(jié)點、六面體有限元網(wǎng)格生成方法??梢詾椴煌W(wǎng)格大小、不同坐標(biāo)系、非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)提供螺紋生成。

具體步驟如下:一種MJ螺栓及螺母有限元網(wǎng)格建模方法:

第一步:歸納螺栓及螺母的幾何特征;螺栓的螺帽區(qū)、螺桿區(qū)及螺紋區(qū),其中螺紋長度為L1、光桿長度為L2、螺帽厚度為L3、螺帽直徑為D2;螺母的六面體及螺紋區(qū),其中D為螺紋公稱直徑,d為公稱半徑,D1為螺母的外輪廓直徑,H描述螺母的厚度;

第二步,螺栓螺紋零位置截面數(shù)學(xué)描述;螺紋螺距為P,在該區(qū)域劃分為5部分區(qū)域:1、0~z1為螺紋根部倒圓角;2、z1~z2螺紋斜線部分;3、z2~z3螺紋尖角削平區(qū)域;4、z3~z4另一側(cè)螺紋斜線部分;5、z4~P為螺紋根部倒圓角;將螺紋轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo),將0點作為柱坐標(biāo)原點,x軸偏向y軸為柱坐標(biāo)θ角,那么在θ角等于0的時候,螺紋外輪廓描述為方程(1):

其中,

第三步,螺母螺紋零位置截面數(shù)學(xué)描述;螺母內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)為六角有孔結(jié)構(gòu),將螺母螺紋兩側(cè)進(jìn)行倒角處理,與第二步螺紋螺距P一致,采用P為螺母螺距,在該區(qū)域可以劃分為5部分區(qū)域:1、0~z1為螺紋根部倒圓角;2、z1~z2螺紋斜線部分;3、z2~z3螺紋尖角削平區(qū)域;4、z3~z4另一側(cè)螺紋斜線部分;5、z4~P為螺紋根部倒圓角;將螺紋轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo),將0點作為柱坐標(biāo)原點,x軸偏向y軸為柱坐標(biāo)θ角,那么在θ角等于0的時候,螺紋內(nèi)輪廓可以描述為方程(2):

其中,

第四步,螺栓及螺母無螺紋區(qū)域有限元網(wǎng)格生成;采用有限元軟件進(jìn)行前處理,得到結(jié)構(gòu)的節(jié)點及單元文件,對螺紋區(qū)域網(wǎng)格細(xì)網(wǎng)格來考核螺紋受力狀態(tài),其它區(qū)域可以減少網(wǎng)格密度;軸向方向螺紋的端頭z2~z3位置應(yīng)該至少有兩個網(wǎng)格,其中P為螺紋螺距,那么螺紋網(wǎng)格尺寸最大為0.05P,軸向方向網(wǎng)格密度要小于0.05P,將遠(yuǎn)離螺紋的區(qū)域加粗9倍網(wǎng)格密度,粗網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格之間通過兩層3個網(wǎng)格到一個網(wǎng)格轉(zhuǎn)變,螺紋厚度選取4層網(wǎng)格;徑向方向靠近螺紋區(qū)域網(wǎng)格較小,遠(yuǎn)離螺紋區(qū)域網(wǎng)格較大,在螺紋考核區(qū)域徑向64層網(wǎng)格,遠(yuǎn)離螺紋加粗3倍網(wǎng)格密度,螺桿中間網(wǎng)格進(jìn)一步加粗,通過兩個網(wǎng)格和其它6個網(wǎng)格相連,相關(guān)的細(xì)網(wǎng)格和粗網(wǎng)格之間選用一層3個網(wǎng)格轉(zhuǎn)換到一個網(wǎng)格的方法;

第五步,螺栓及螺母螺紋節(jié)點偏移生成;通過上述第四步可以建立起無螺紋螺栓有限元網(wǎng)格模型,通過對螺紋處網(wǎng)格進(jìn)行節(jié)點移動可以獲得螺紋的螺栓;通過確定網(wǎng)格節(jié)點坐標(biāo)(x,y,z)是否在螺紋生成區(qū)域,然后再確定節(jié)點相對于z軸旋轉(zhuǎn)角度θ,最后,通過節(jié)點坐標(biāo) z及θ確定角度螺紋空間曲面;確定網(wǎng)格節(jié)點是否屬于螺紋區(qū)域可以由方程(3)確定:

當(dāng)

確定了節(jié)點是否在螺紋區(qū)域后,再采用柱坐標(biāo)θ乘以螺紋螺距P得到一個螺紋周期內(nèi)螺紋選擇上升距離Ls,(z-Ls)/P取整,可以得到該節(jié)點在第幾個螺紋處,結(jié)合方程1獲得該節(jié)點那一個螺牙區(qū)域,對節(jié)點按照所得螺牙在方程1中區(qū)域內(nèi)螺紋區(qū)域進(jìn)行擠壓,將各個節(jié)點在R到進(jìn)行徑向擠壓,其極坐標(biāo)半徑具體可以由方程(4)表示:

<mrow> <msub> <mi>r</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>-</mo> <mi>d</mi> <mi>min</mi> <mi>x</mi> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <mi>R</mi> <mo>-</mo> <mi>d</mi> <mi>min</mi> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mo>-</mo> <mi>d</mi> <mi>min</mi> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中,R為螺紋上升距離的變換,d=D/2,r為擠壓前節(jié)點在該區(qū)域的極坐標(biāo)半徑;通過對螺栓無螺紋狀態(tài)下螺牙處節(jié)點的擠壓可以獲得螺栓含有螺紋的網(wǎng)格,通過修改螺紋的半徑等參數(shù)可以獲得包括公差在內(nèi)的各種規(guī)格的有螺紋螺栓。

進(jìn)一步的,步驟4所述的有限元軟件可是采用Abaqus,Msc或者Hypermesh。

進(jìn)一步的,步驟5所述的確定網(wǎng)格節(jié)點是否屬于螺紋區(qū)域的方程3,由于螺紋是關(guān)于軸線螺旋式對稱,為了方便操作將笛塔爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為同原點的柱坐標(biāo)(r,θ,z),其中z方向與笛塔爾坐標(biāo)z同向,

本發(fā)明可以快速、有效生成帶有螺紋結(jié)構(gòu)特征的MJ螺栓、螺母有限元網(wǎng)格,該網(wǎng)格為六面體、共節(jié)點,可以有效避免采用TIE命令或四面體網(wǎng)格產(chǎn)生的誤差,大幅提高計算精度。

附圖說明

圖1是MJ螺栓示意圖;

圖2是MJ外螺紋結(jié)構(gòu)示意圖;

圖3是MJ螺母示意圖;

圖4是帶有螺紋特征的螺栓圖;

圖5是帶有螺紋特征的螺母圖;

圖6是螺栓軸向截面網(wǎng)格示意圖;

圖7是螺栓徑向截面1/4網(wǎng)格示意圖;

圖8是含有螺紋的螺栓網(wǎng)格;

圖9是含有螺紋的螺母網(wǎng)格。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說明。顯然,所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例,而不是全部的實施例?;诒景l(fā)明的實施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。

第一步,螺栓及螺母的幾何特征歸納:

針對螺栓、螺母幾何特征歸納出螺栓螺帽區(qū)、螺桿區(qū)及螺紋區(qū),其中螺紋長度為L1、光桿長度為L2、螺帽厚度為L3、螺帽直徑為D2;螺母的六面體及螺紋區(qū),其中D為螺紋公稱直徑,D1為螺母的外輪廓直徑;一般用厚度H描述螺母的厚度。如圖1、圖3所示。

第二步,螺栓螺紋零位置截面數(shù)學(xué)描述:

螺紋螺距為P,在該區(qū)域劃分為5部分區(qū)域:1、0~z1為螺紋根部倒圓角;2、z1~z2螺紋斜線部分;3、z2~z3螺紋尖角削平區(qū)域;4、z3~z4另一側(cè)螺紋斜線部分;5、z4~P為螺紋根部倒圓角;首先,將螺紋轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo),將0點作為柱坐標(biāo)原點,x軸偏向y軸為柱坐標(biāo)θ角。那么在θ角等于0的時候,螺紋外輪廓描述為方程(1)。

其中,

第三步,螺母螺紋零位置截面數(shù)學(xué)描述:

內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)是一個六角有孔結(jié)構(gòu),由于螺母的外形尺寸會影響到螺紋受力狀態(tài),所以必須將其真實建立出來。并且為了保證螺母質(zhì)量一般會將螺母螺紋兩側(cè)進(jìn)行倒角處理,如圖3所示。其中D為螺紋公稱直接,D1為螺母的外輪廓直徑;一般用厚度H描述螺母的厚度。與第二步螺紋螺距P一致,采用P為螺母螺距。在該區(qū)域可以劃分為5部分區(qū)域:1、0~z1為螺紋根部倒圓角;2、z1~z2螺紋斜線部分;3、z2~z3螺紋尖角削平區(qū)域;4、z3~z4另一側(cè)螺紋斜線部分;5、z4~P為螺紋根部倒圓角。

與螺栓螺紋數(shù)學(xué)描述一樣,首先將螺紋轉(zhuǎn)換為柱坐標(biāo),將0點作為柱坐標(biāo)原點,x軸偏向y軸為柱坐標(biāo)θ角,那么在θ角等于0的時候,螺紋內(nèi)輪廓可以描述為方程(2)。

其中,

第四步,螺栓及螺母無螺紋有限元網(wǎng)格生成:

對螺栓及螺母采用無螺紋情況下有限元網(wǎng)格劃分,該步驟可以采用任何商業(yè)有限元軟件進(jìn)行前處理,例如Abaqus,Msc,Hypermesh方法等,得到結(jié)構(gòu)的節(jié)點及單元文件。對螺紋區(qū)域網(wǎng)格加密來重點考核螺紋受力狀態(tài),其它區(qū)域可以適當(dāng)減少網(wǎng)格密度。螺紋的端頭z2~z3位置應(yīng)該至少有兩個網(wǎng)格,其中P為螺紋螺距,那么螺紋網(wǎng)格尺寸最大為0.05P。在軸向方向是考核網(wǎng)格的主要區(qū)域,該區(qū)域網(wǎng)格密度要小于0.05P。將遠(yuǎn)離螺紋的區(qū)域適當(dāng)加粗9倍網(wǎng)格密度以減少螺栓整體網(wǎng)格數(shù)目,粗網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格之間通過兩層3個網(wǎng)格到一個網(wǎng)格轉(zhuǎn)變,如圖5所示。螺紋厚度選取4層網(wǎng)格。

在徑向方向也與軸向方向一樣靠近螺紋區(qū)域網(wǎng)格較小,遠(yuǎn)離螺紋區(qū)域網(wǎng)格較大。在螺紋考核區(qū)域徑向64層網(wǎng)格。在徑向方向遠(yuǎn)離螺紋適當(dāng)加粗3倍網(wǎng)格密度。螺桿中間網(wǎng)格進(jìn)一步加粗,通過兩個網(wǎng)格和其它6個網(wǎng)格相連。相關(guān)的細(xì)網(wǎng)格和粗網(wǎng)格之間選用一層3個網(wǎng)格轉(zhuǎn)換到一個網(wǎng)格的方法,如圖6所示。

第五步,螺栓、螺母螺紋節(jié)點偏移生成

通過上述第四步可以建立起無螺紋螺栓有限元網(wǎng)格模型,通過對螺紋處網(wǎng)格進(jìn)行節(jié)點移動可以獲得螺紋的螺栓。我們可以通過確定網(wǎng)格節(jié)點坐標(biāo)(x,y,z)是否在螺紋生成區(qū)域;然后再確定節(jié)點相對于z軸旋轉(zhuǎn)角度θ;最后,通過節(jié)點坐標(biāo)z及θ確定角度螺紋空間曲面。

由于螺紋是關(guān)于軸線螺旋式對稱,為了方便操作將笛塔爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為同原點的柱坐標(biāo)(r,θ,z)。其中z方向與笛塔爾坐標(biāo)z同向,確定網(wǎng)格節(jié)點是否屬于螺紋區(qū)域可以由方程(3)確定:

當(dāng)

確定了節(jié)點是否在螺紋區(qū)域后,再采用柱坐標(biāo)θ乘以螺紋螺距P得到一個螺紋周期內(nèi)螺 紋選擇上升距離Ls。(z-Ls)/P取整,可以得到該節(jié)點在第幾個螺紋處。結(jié)合方程1獲得該節(jié)點那一個螺牙區(qū)域。在上述工作基礎(chǔ)上,對節(jié)點按照所得螺牙在方程1中區(qū)域內(nèi)螺紋區(qū)域進(jìn)行擠壓,將各個節(jié)點在R到進(jìn)行徑向擠壓。其極坐標(biāo)半徑具體可以由方程(4)表示:

<mrow> <msub> <mi>r</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>-</mo> <mi>d</mi> <mi>min</mi> <mi>x</mi> <mo>)</mo> <mo>(</mo> <mi>R</mi> <mo>-</mo> <mi>d</mi> <mi>min</mi> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mo>-</mo> <mi>d</mi> <mi>min</mi> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中,R為螺紋上升距離的變換,d=D/2,r為擠壓前節(jié)點在該區(qū)域的極坐標(biāo)半徑。

通過對螺栓無螺紋狀態(tài)下螺牙處節(jié)點的擠壓可以獲得螺栓含有螺紋的網(wǎng)格,通過修改螺紋的半徑等參數(shù)可以獲得包括公差在內(nèi)的各種規(guī)格的有螺紋螺栓,如圖7所示。

同理,采用相似的方法可以建立起帶有螺紋螺母的有限元網(wǎng)格,如圖5所示。但是需要注意的是螺母網(wǎng)格不是采用擠壓方式而是采用拉伸方式建立起來的螺紋。該無螺紋光桿網(wǎng)格需要在靠近螺紋區(qū)需要在拉伸方向上徑向網(wǎng)格盡可能尺寸小,以便于網(wǎng)格拉伸不會發(fā)生網(wǎng)格長寬比例太大造成計算精度及收斂問題。

對所公開的實施例的上述說明,使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專利技術(shù)人員來說是顯而易見的,本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下,在其他實施例中實現(xiàn)。因此,本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例,而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬范圍。

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