一種考慮表面加工質(zhì)量的栓接結(jié)合部動態(tài)特性分析方法
【專利摘要】一種考慮表面加工質(zhì)量的栓接結(jié)合部動態(tài)特性分析方法,屬機械性能分析領(lǐng)域。其包括：參數(shù)化建模、結(jié)合面普通建模、施加邊界條件、靜力分析、接觸剛度阻尼計算、結(jié)合面模型重建、栓接結(jié)合面剛度阻尼建模、動態(tài)特性分析步驟；根據(jù)模型參數(shù)自動建立模型，選擇靜力分析后，通過選擇的材料參數(shù)、接觸面加工方法、粗糙度及靜力分析結(jié)果，計算結(jié)合面接觸剛度和阻尼值，重新創(chuàng)建接觸單元，進行栓接結(jié)合部動態(tài)分析獲取結(jié)合部固有頻率、主振形和頻響函數(shù)。本發(fā)明基于ANSYS二次開發(fā)平臺，建立栓接結(jié)合部參數(shù)化模型，用于分析材料屬性、接觸面加工方法、加工粗糙度、外部載荷對栓接結(jié)合部動態(tài)特性的影響。
【專利說明】一種考慮表面加工質(zhì)量的栓接結(jié)合部動態(tài)特性分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于軟件應用【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種考慮接觸面加工方法和加工粗糙度的栓接結(jié)合部動態(tài)特性分析方法。

【背景技術(shù)】
[0002]機床中存在大量的栓接結(jié)合部，在機床工作過程中，栓接結(jié)合部的動態(tài)特性影響機床的加工效率、加工精度，加速部件之間的磨損，進而影響機床的使用壽命和機床可靠性。因此檢接結(jié)合部的研究對提聞機床質(zhì)量十分有意義。
[0003]栓接結(jié)合部的動態(tài)特性受材料屬性、表面質(zhì)量、外部載荷的影響很大。通過現(xiàn)有的有限元分析軟件能夠分析材料屬性和外部載荷對栓接結(jié)合部動態(tài)特性的影響，但是卻不能分析接觸面表面質(zhì)量對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響。
[0004]目前國內(nèi)外學者通過分形接觸理論建立了考慮接觸面表面質(zhì)量的接觸剛度和接觸阻尼模型。本發(fā)明基于分形接觸理論的接觸剛度和接觸阻尼模型，利用有限元軟件ANSYS二次開發(fā)平臺，建立考慮接觸面加工方法和加工粗糙度的栓接結(jié)合部參數(shù)化模型，用于分析其動態(tài)特性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有結(jié)合面仿真方法的缺陷，提供一種基于分形接觸理論的接觸剛度和接觸阻尼模型，利用有限元軟件ANSYS 二次開發(fā)平臺，建立考慮接觸面加工方法和加工粗糙度的栓接結(jié)合部參數(shù)化模型，用于分析其動態(tài)特性
[0006]本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實現(xiàn)的，實現(xiàn)該方法的系統(tǒng)包括
[0007]一種考慮接觸面加工方法和粗糙度的栓接結(jié)合面動態(tài)仿真方法，包括:參數(shù)化建模、結(jié)合面普通建模、施加邊界條件、靜力分析、接觸剛度和接觸阻尼計算、結(jié)合面模型重建、栓接結(jié)合面剛度阻尼建模、動態(tài)特性分析步驟；
[0008]參數(shù)化建模步驟，利用體命令生成立方體和圓柱結(jié)構(gòu)；采用布爾減運算和粘結(jié)操作生成栓接結(jié)合部模型；生成實體模型后，采用線網(wǎng)格控制命令和網(wǎng)格掃略命令，生成有限元網(wǎng)格模型；建模過程中，利用APDL語言定義模型參數(shù)化變量，生成參數(shù)化模型；
[0009]結(jié)合面普通建模步驟，通過參數(shù)化設(shè)計語言選擇結(jié)合面；目標面單元設(shè)定為為TARGE170單元，接觸面單元設(shè)置為為C0NTA174單元；設(shè)定柔-柔面接觸，初始接觸為綁定；
[0010]施加邊界條件步驟，包括栓接結(jié)合部約束位置、載荷施加位置、載荷大小、載荷方向；螺栓孔處一段設(shè)置為固定約束，另一段施加壓強載荷；載荷施加區(qū)域利用坐標法拾取節(jié)點；
[0011]靜力分析步驟，首先設(shè)置分析類型為結(jié)構(gòu)靜力分析，設(shè)置求解內(nèi)容，進行求解；通過選擇接觸單元，選擇單元所有節(jié)點，通過循環(huán)命令，以數(shù)組格式按照從小到大順序提取各自節(jié)點編號及對應的壓強值。
[0012]接觸剛度和接觸阻尼計算步驟，根據(jù)提取的結(jié)合面節(jié)點壓強值，通過分形接觸剛度和接觸阻尼模型，使用循環(huán)命令和公式運算，計算各節(jié)點處的接觸剛度和接觸阻尼值，以數(shù)組形式保存。
[0013]結(jié)合面模型重建，通過單元刪除命令刪除結(jié)合面普通建模步驟中建立的接觸模型，通過循環(huán)命令創(chuàng)建自定義矩陣單元，設(shè)定單元編號，接觸剛度和接觸阻尼值賦值給單元實常數(shù)，生成接觸剛度和接觸阻尼單元，按照節(jié)點編號從小到大順序建立結(jié)合面接觸剛度和和阻尼單元。
[0014]動態(tài)特性分析步驟，設(shè)置分析類型，包括模態(tài)分析、諧響應分析；模態(tài)分析后處理中輸出固有頻率及主振形；諧響應分析后處理中輸出關(guān)鍵點頻響函數(shù)圖。
[0015]根據(jù)上述結(jié)果，用戶可以分析接觸面機加工方法和加工粗糙度對栓接結(jié)合部動態(tài)特性的影響。
[0016]前述的利用APDL語言定義結(jié)構(gòu)參數(shù)變量包括:栓接結(jié)合部結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料編號、螺栓預緊力、結(jié)合面加工方法、加工粗糙度；其中栓接結(jié)合部結(jié)構(gòu)參數(shù)包括總長度、凸臺長度寬度、總高度、凸臺高度、螺栓孔直徑；材料參數(shù)包括QT-235、QT250 ;結(jié)合面加工方法包括銑削、磨削；加工粗糙度參數(shù)包括五個粗糙度值(0.4,0.6,0.8,1.2,1.6)，單位為微米。
[0017]前述的自定義矩陣單元為MATRIX27矩陣單元。
[0018]本發(fā)明一種考慮接觸面加工方法和加工粗糙度的分析栓接結(jié)合部動態(tài)特性的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯的優(yōu)勢和有益效果:
[0019]本發(fā)明基于分形接觸理論的接觸剛度和接觸阻尼模型，利用有限元軟件ANSYS 二次開發(fā)平臺，建立考慮接觸面加工方法和加工粗糙度的栓接結(jié)合部參數(shù)化模型，用于分析材料屬性、接觸面加工方法、表面粗糙度、外部載荷、結(jié)合形狀對栓接結(jié)合部動態(tài)特性的影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為栓接結(jié)合部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為試件結(jié)構(gòu)尺寸示意圖；
[0022]圖3為栓接結(jié)合部動態(tài)特性分析流程圖；
[0023]圖4為MATRIX27單元幾何簡圖；
[0024]圖5為MATRIX27單元矩陣示意圖；
圖6為MATRIX27矩陣單元系數(shù)示意圖。
[0025]圖中，1、上試件，2、結(jié)合部接觸單元，3、下試件。

【具體實施方式】
[0026]以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的具體實施加以說明。
[0027]請參閱圖1所示，為栓接結(jié)合部結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I為上試件，2為結(jié)合部接觸單元，3為下試件。
[0028]下面結(jié)合圖2、圖3，圖4進一步闡明本發(fā)明。
[0029]其中，LI為總長度，L2為凸臺長度，D為寬度，Hl為總高度，H2為凸臺高度，d為螺栓孔直徑。
[0030](I)參數(shù)化建模模塊，基于ANSYS 二次開發(fā)，利用體命令生成立方體和圓柱結(jié)構(gòu)；采用布爾減運算和粘結(jié)操作生成栓接結(jié)合部模型；輸入?yún)?shù)包括栓接結(jié)合部結(jié)構(gòu)參數(shù)(總長度、凸臺長度寬度、總高度、凸臺高度、螺栓孔直徑)、載荷參數(shù)(施加載荷面積、載荷大小);選擇參數(shù)包括材料(QT-235、QT250)、加工方法(銑削、磨削)、加工粗糙度值(0.4、
0.6,0.8、1.2、1.6);設(shè)置完成后，自動生成有限元網(wǎng)格模型。
[0031](2)結(jié)合面普通建模模塊，基于ANSYS 二次開發(fā)，建立目標面單元為TARGE170單元，接觸面單元為C0NTA174單元，設(shè)定柔-柔面接觸，初始接觸為綁定。
[0032](3)施加邊界條件模塊，基于ANSYS 二次開發(fā)，自動根據(jù)輸入載荷參數(shù)，采用坐標位置拾取命令確定邊界條件施加區(qū)域，載荷施加區(qū)域和載荷值。
[0033](4)靜力分析模塊，選擇結(jié)構(gòu)靜力分析，程序自動進行靜力分析計算，利用循環(huán)命令提取結(jié)合面節(jié)點及對應的壓強，并且以文本和圖片形式展示。
[0034](5)接觸剛度阻尼計算模塊，程序自動通過提取的結(jié)合節(jié)點及對應壓強結(jié)合選擇的材料、加工方法、粗糙度自動計算各節(jié)點對應的接觸剛度和阻尼值，以數(shù)組形式保存。
[0035](6)結(jié)合面模型重建模塊(參看圖1所示)，利用APDL語言刪除原有結(jié)合面接觸單元，根據(jù)計算的接觸剛度和阻尼值，通過MATRIX27單元創(chuàng)建各節(jié)點對應的結(jié)合面結(jié)合面接觸剛度和接觸阻尼單元。
[0036](7)動態(tài)特性分析模塊,設(shè)置分析類型,包括模態(tài)分析和諧響應分析,模態(tài)分析后處理中輸出模態(tài)頻率和模態(tài)振型圖；諧響應分析中還需要進一步定義求解方法和載荷步選項，后處理中輸出關(guān)鍵點頻響函數(shù)圖。
[0037]用戶可以通過改變尺寸大小、載荷大小，選則材料、接觸面接加工方法和粗糙度，分析材料屬性、接觸面加工質(zhì)量、外部載荷對栓接結(jié)合部動態(tài)特性的影響。
[0038]所述的參數(shù)化建模，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的結(jié)構(gòu)參數(shù)，修改已有的參數(shù)化設(shè)計語言命令流，生成栓接結(jié)合部模型，然后自動進行網(wǎng)格劃分。
[0039]所述的油墊結(jié)合面建模，系統(tǒng)根據(jù)輸入的油墊參數(shù)，采用Do-Loop循環(huán)生成各油墊自身幾何中心節(jié)點及油墊平面，并循環(huán)生成支承油墊結(jié)合面和預緊油墊結(jié)合面。
[0040]所述的邊界條件，系統(tǒng)根據(jù)輸入的邊界條件參數(shù)，修改APDL命令流，自動加載邊界條件。
[0041]所述的接觸剛度和阻尼計算，系統(tǒng)根據(jù)選擇的材料、加工方法、粗糙度和靜力分析獲得的節(jié)點壓強自動計算各節(jié)點對應的接觸剛度和接觸阻尼。
[0042]所述的動態(tài)特性分析，包括模態(tài)分析和諧響應分析，得到栓接結(jié)合部固有頻率、主振型和關(guān)鍵點頻響函數(shù)。
[0043]系統(tǒng)結(jié)合面模型重建模塊中使用自定義矩陣單元matriX27構(gòu)建結(jié)合面剛度和阻尼單元。在ANSYS程序中matrix27單元可以代表一種任意單元。該單元由兩個節(jié)點和系數(shù)矩陣定義。圖4是MATRIX27幾何示意圖。其中每個節(jié)點有6個自由度，分別是沿節(jié)點坐標系x、y、z方向的平動和繞節(jié)點坐標系x、y、z方向的轉(zhuǎn)動。該單元的幾何特性無定義，但其彈性運動學響應可用剛度、阻尼或者質(zhì)量系數(shù)來指定，即剛度、阻尼和質(zhì)量矩陣中的常數(shù)可以作為單元的實常數(shù)輸入。圖6是MATRIX27矩陣單元系數(shù)示意圖。在模擬等效剛度單元時，C1, C58, C7模擬X方向的的剛度，C18, C64, C19模擬Y方向的剛度，C24, C69, C60模擬Z方向的剛度。在模擬等效阻尼單元時，C1,C58,C7模擬X方向的阻尼，C13、C64、C19模擬Y方向的阻尼，C24, C69, C60模擬Z方向的阻尼。
【權(quán)利要求】
1.一種考慮表面加工質(zhì)量的栓接結(jié)合部動態(tài)特性分析方法，包括:參數(shù)化建模、結(jié)合面普通建模、施加邊界條件、靜力分析、接觸剛度阻尼計算、結(jié)合面模型重建、結(jié)合面剛度阻尼建模、動態(tài)特性分析步驟；其特征在于: 所述的參數(shù)化建模步驟，利用體命令生成立方體和圓柱結(jié)構(gòu)；采用布爾減運算和粘結(jié)操作生成栓接結(jié)合部模型；生成實體模型后，采用線網(wǎng)格控制命令和網(wǎng)格掃略命令，生成有限元網(wǎng)格模型；建模過程中，利用APDL語言定義模型參數(shù)化變量，生成參數(shù)化模型； 所述的合面普通建模步驟，通過參數(shù)化設(shè)計語言建立栓接結(jié)合面初始綁定模型。目標面單元為TARGE170單元，接觸面單元為C0NTA174單元進行柔-柔面接觸； 所述的施加邊界條件步驟，包括栓接結(jié)合部約束位置、載荷施加位置、載荷形式、載荷大小、載荷方向；其中載荷施加位置和載荷大小定義為輸入變量； 所述的靜力分析步驟，首先設(shè)置分析類型為結(jié)構(gòu)靜力分析，設(shè)置求解內(nèi)容，進行求解；通過選擇接觸單元，選擇單元所有節(jié)點，通過循環(huán)命令，以數(shù)組格式按照從小到大順序提取各自節(jié)點編號及對應的壓強值； 所述的接觸剛度阻尼計算步驟，根據(jù)提取的結(jié)合面節(jié)點壓強值，通過分形接觸剛度和接觸阻尼模型求取結(jié)合面節(jié)點接觸剛度和接觸阻尼值，以數(shù)組形式保存； 所述的結(jié)合面模型重建，通過單元刪除命令刪除結(jié)合面普通建模步驟中建立的接觸模型，通過循環(huán)命令創(chuàng)建自定義矩陣單元，設(shè)定單元編號，將接觸剛度阻尼計算步驟獲得的節(jié)點剛度和阻尼值賦值給單元實常數(shù)，生成接觸剛度和接觸阻尼單元，按照節(jié)點編號從小到大順序建立結(jié)合面接觸剛度和阻尼單元； 所述動態(tài)特性分析步驟，設(shè)置分析類型，包括模態(tài)分析、諧響應分析；模態(tài)分析后處理中輸出固有頻率及主振形；諧響應分析后處理中輸出關(guān)鍵點頻響函數(shù)圖。根據(jù)上述結(jié)果，用戶可以分析接觸面機加工方法和加工粗糙度對栓接結(jié)合部動態(tài)特性的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮表面加工質(zhì)量的栓接結(jié)合部動態(tài)特性分析方法，其特征在于:通過輸入載荷值、選擇材料、選擇接觸面加工方法和加工粗糙度可進行栓接結(jié)合部動態(tài)特性分析。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮表面加工質(zhì)量的栓接結(jié)合部動態(tài)特性分析方法，其特征在于:進行靜力分析提取各節(jié)點壓強，通過壓強計算各節(jié)點接觸剛度和阻尼，通過MATRIX27建立結(jié)合面接觸單元用于栓接結(jié)合部動態(tài)特性分析。
【文檔編號】G06F17/50GK104166747SQ201410178375
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】王建華, 張杭, 張永勝 申請人:北京工業(yè)大學