一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法与流程
本发明属于非标螺纹件预紧力计算，特别涉及一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法。
背景技术：
1、螺纹连接是一种结构简单、可拆卸方便、广泛应用的固定连接方式。螺纹件可以分为标准螺纹件和非标准螺纹件。标准螺纹件是在加工过程中按照国家标准规定了制造工艺、尺寸大小、检验标准等。非标准螺纹件在行业领域中还没有建立起较为统一的规范，大多现有非标螺纹件连接的两侧零部件多为企业自主设计结构，存在非标螺纹件压紧环面较标准螺纹件压紧环面内径大且无支撑的问题，导致螺纹部分比一般标准螺纹件受弯变形严重，容易发生失效，预紧力的计算校核显得尤为重要。
2、目前螺纹件的预紧力大多采用公式计算。这种方法虽然可以快速得到结果，但是由于对于一些较大变形的螺纹件忽略螺纹连接弯矩等影响因素，可能产生计算值与实际值相差较大的问题，尤其针对一些非标准螺纹件，这种问题尤为突出。为了获得更精确的预紧力结果，非标螺纹件的预紧力也可以采用有限元软件进行计算。对于同一种几何模型，当给定不同的转动角度输入范围时，需根据输入参数重新进行迭代。这种方法虽然计算精度高，但受限于网格数量庞大，螺纹接触面复杂，且螺纹螺牙结构细小、变形大、易发生塑性形变等因素，导致模型求解周期漫长。特别是对于大型总成部件，若存在的非标螺纹件数量众多，将直接导致系统计算难以收敛，或计算周期过长无法接受，这将极大影响迭代结果。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提出了一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法，验证了计算拧紧力矩与计算预紧力的关系曲线的有效性。
2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
3、一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法，包括以下步骤：
4、对非标螺纹件进行几何建模，然后再将几何模型进行网格划分后建立接触关系；约束旋转轴远端端面节点的各向平移自由度，在拧紧面轴向宽度中点建立柔性耦合单元参考点，所述参考点为扭矩监测点；
5、计算拧紧力矩与计算预紧力的关系曲线，利用所述关系曲线计算实际生产中的预紧力范围；用圆柱面简化旋转轴和非标螺母的螺纹面，在旋转轴与法兰间无连接区域设置预紧面；
6、根据所述关系曲线，分别以螺纹面和预紧面两种方式进行有限元计算，对比两种方式下的应力云图，如果两种方式下的应力云图相差小于预设阈值，则能验证将关系曲线应用于预紧力有限元简化模型计算的有效性；否则重新设置预紧面进行有限元计算，直到两种方式下的应力云图相差小于预设阈值。
7、进一步的，所述对比两种方式下的应力云图的方法包括：
8、在两种方式下的应力云图中同时选择相同网格编号的应力作为评判标准；
9、利用所述两种方式下应力云图各自的评判标准，计算出螺纹拧紧时的最大应力和预紧面加载时的最大应力；
10、根据螺纹拧紧时的最大应力和预紧面加载时的最大应力计算出两者差值。
11、进一步的，所述预设阈值为螺纹拧紧时的最大应力和预紧面加载时的最大应力之间差值的10％。
12、进一步的，所述对非标螺纹件进行几何建模的过程包括：
13、利用cad软件对非标螺纹件连接结构螺纹部分按照螺纹尺寸进行建模进一步的，所述将几何模型进行网格划分后建立接触关系的过程包括：
14、将几何模型导入到有限元分析软件中进行网格划分，以及在网络划分之后建立非标螺纹连接件连接结构各零件接触关系；其中，法向接触设置为硬接触；切向行为参照实测螺纹部分的摩擦系数定义摩擦参数。
15、进一步的，在建立柔性耦合单元参考点之后，在参考点上拧紧施加力矩，以及在参考点加载角度位移载荷，进行有限元计算。
16、进一步的，在建立非标螺纹连接件连接结构各零件接触关系时还包括：设置非标螺纹件连接结构各零部件材料参数，包括密度、弹性模量和泊松比。
17、进一步的，所述进行有限元计算的过程包括：约束旋转轴远端端面节点的各向平移自由度，在拧紧面轴向宽度中点建立柔性耦合单元参考点，在耦合单元参考点上以角位移形式施加拧紧力矩，进行有限元计算。
18、进一步的，所述有限元计算采用newton-raphson非线性分析求解算法，选择将耦合参考点反扭矩、压紧面接触压力合力的轴向分力作为随分析步变化的输出量。
19、进一步的，所述计算拧紧力矩与计算预紧力的关系曲线，利用所述关系曲线计算实际生产中的预紧力范围的过程包括：
20、选择耦合参考点反扭矩和预紧力作为随增量步变化的输出量得到计算拧紧力矩与计算预紧力的关系曲线；
21、根据实际生产中要求控制的螺纹件拧紧力矩范围，最终得到实际生产中的预紧力范围。
22、
技术实现要素：
中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
23、本发明提出了一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法，该方法包括以下步骤：对非标螺纹件进行几何建模，然后再将几何模型进行网格划分后建立接触关系；约束旋转轴远端端面节点的各向平移自由度，在拧紧面轴向宽度中点建立柔性耦合单元参考点，参考点为扭矩监测点；计算拧紧力矩与计算预紧力的关系曲线，利用所述关系曲线计算实际生产中的预紧力范围；用圆柱面简化旋转轴和非标螺母的螺纹面，在旋转轴与法兰间无连接区域设置预紧面；根据关系曲线，分别以螺纹面和预紧面两种方式进行有限元计算，对比两种方式下的应力云图，如果两种方式下的应力云图相差小于预设阈值，则能验证将关系曲线应用于预紧力有限元简化模型计算的有效性；否则重新设置预紧面进行有限元计算，直到两种方式下的应力云图相差小于预设阈值。本发明通过设置拧紧面轴向宽度中点作为扭矩监测点，得到了计算拧紧力矩与计算预紧力的关系曲线，即可在考虑变形及摩擦系数等因素的影响下，求得非标螺纹件的轴向预紧力。对于同一种模型，参照计算拧紧力矩与计算预紧力的关系曲线，可以迅速得到不同实际装配扭矩所对应的实际预紧力，从而减少了反复迭代过程，提高了计算效率。
24、本发明简化螺纹面成圆柱面，根据计算拧紧力矩与计算预紧力的关系曲线找出某一个拧紧力矩与之相对应的预紧力，通过计算螺纹拧紧与在预紧面直接加载预紧力两种方式下应力云图，验证计算拧紧力矩与计算预紧力的关系曲线的有效性。
技术特征：
1.一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法，其特征在于，所述对比两种方式下的应力云图的方法包括：
3.根据权利要求2所述的一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法，其特征在于，所述预设阈值为螺纹拧紧时的最大应力和预紧面加载时的最大应力之间差值的10％。
4.根据权利要求1所述的一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法，其特征在于，所述对非标螺纹件进行几何建模的过程包括：
5.根据权利要求4所述的一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法，其特征在于，所述将几何模型进行网格划分后建立接触关系的过程包括：
6.根据权利要求1所述的一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法，其特征在于，在建立柔性耦合单元参考点之后，在参考点上拧紧施加力矩，以及在参考点加载角度位移载荷，进行有限元计算。
7.根据权利要求5所述的一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法，其特征在于，在建立非标螺纹连接件连接结构各零件接触关系时还包括：设置非标螺纹件连接结构各零部件材料参数，包括密度、弹性模量和泊松比。
8.根据权利要求1所述的一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法，其特征在于，所述进行有限元计算的过程包括：约束旋转轴远端端面节点的各向平移自由度，在拧紧面轴向宽度中点建立柔性耦合单元参考点，在耦合单元参考点上以角位移形式施加拧紧力矩，进行有限元计算。
9.根据权利要求8所述的一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法，其特征在于，所述有限元计算采用newton-raphson非线性分析求解算法，选择将耦合参考点反扭矩、压紧面接触压力合力的轴向分力作为随分析步变化的输出量。
10.根据权利要求1所述的一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法，其特征在于，所述计算拧紧力矩与计算预紧力的关系曲线，利用所述关系曲线计算实际生产中的预紧力范围的过程包括：
技术总结
本发明提出了一种非标螺纹件的预紧力简化计算方法，该方法包括：对非标螺纹件几何建模，再将几何模型进行网格划分后建立接触关系，约束旋转轴远端端面节点的各向平移自由度，在拧紧面轴向宽度中点建立柔性耦合单元参考点，参考点为扭矩监测点；计算拧紧力矩与计算预紧力的关系曲线，利用关系曲线计算实际生产中的预紧力范围；用圆柱面简化旋转轴和非标螺母的螺纹面，在旋转轴与法兰间无连接区域设置预紧面；根据关系曲线分别以螺纹面和预紧面进行有限元计算，对比两种方式的应力云图，如果两种方式下的应力云图相差小于预设阈值，则验证了基于关系曲线预紧面法简化计算的有效性，本发明减少了反复迭代过程，提高了计算效率。
技术研发人员：李柯亮,张星,古玉宽,陈国争,孙万于,闫善恒,潘晓萌,张曼
受保护的技术使用者：中国重汽集团济南动力有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23