專利名稱：一種快速消除異質構件殘余應力有效方法
技術領域：
本發明提供一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，特別是涉及一種基于有限元的快速消除由于螺釘預緊力引起的異質構件殘余應力的有效方法，屬于有限元仿真技術領域。
背景技術：
加速度計等慣性元件是通過螺釘安裝在異質構件臺體上，在長期的貯存和使用過程中，由于螺釘預緊力的松弛，造成異質構件結構發生裝配變形，從而產生安裝誤差角，影響系統參數穩定性。近年來由于電子計算機的應用和計算方法的新進展，有限元分析方法作為一個強有力的數值分析工具，已被廣泛用于工程領域。通過對現有基于有限元分析的技術文獻檢索發現，針對異質構件的研究，多集中于對異質構件整體進行動態設計分析或計算異質構件參數漂移方法等研究方面；對于螺釘也多集中于研究在高溫條件下，螺釘自 身的預緊力變化或蠕變松弛分析；而關于振動時效消除殘余應力的研究也主要是通過實驗方法進行，并且由于振動時效工藝參數選取完全憑借經驗，缺乏科學依據，其具有盲目性。因此，本發明主要針對這些問題，通過有限元仿真分析的方法，定量地獲得異質構件中殘余應力的分布情況以及振動時效后殘余應力的分布情況，提供了一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，并通過仿真結果獲得振動時效工藝參數，從而為振動時效工藝參數提供數據參考。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，它是基于有限元的異質構件整體簡化模型以及結合靜力結構分析、模態分析、諧響應分析和瞬態動力分析的仿真方法，通過對異質構件進行振動時效分析，以達到均化或降低殘余應力的目的，并且確定出振動時效工藝參數，以便于工程試驗應用。本發明是基于以下技術方案實現的，首先對異質構件中異質構件臺體、加速度計和螺釘進行建模與裝配，并將裝配模型導入到有限元中，得到了異質構件裝配結構的有限元模型，結合異質構件結構尺寸特性進行網格劃分；再對異質構件施加螺釘預緊力，得到殘余應力分布，并對異質構件進行模態分析和諧響應分析，得到其激振頻率和激振幅值；最后對異質構件進行振動時效分析，得到振動時效后的裝配殘余應力分布。本發明一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，其步驟如下步驟一建立異質構件有限元模型；建立異質構件臺體、加速度計和螺釘的模型，進行結構簡化，并把三者裝配成一體，得到異質構件幾何模型；將異質構件幾何模型通過Parasolid輸入方法導入有限元軟件中，得到異質構件有限元模型；建立材料模型庫，包括定義單位制和輸入各部件的材料屬性；針對異質構件有限元模型不同的部件實施不同的網格精度劃分方法進行有限元網格劃分；步驟二 對異質構件有限元模型進行靜力結構分析，通過對異質構件施加螺釘預緊力，得到異質構件在預緊力作用下產生的殘余應力及其分布；步驟三對異質構件有限元模型進行模態分析，通過模態分析計算得到異質構件前8階固有頻率,并從中選取合適的頻率作為振動時效參數；步驟四對異質構件有限元模型進行諧響應分析，通過諧響應分析計算得到異質構件變形量和頻率的關系曲線，并通過仿真結果確定振動時效時所需的振幅幅值；步驟五對異質構件有限元模型進行瞬態動力分析，通過瞬態動力分析計算得到振動時效后的異質構件殘余應力的分布；其中，在步驟一中所述的建立異質構件有限元模型，其具體做法的步驟如下a)建立模型建立異質構件臺體、加速度計及螺釘的模型，具體做法是針對預緊力對異質構件穩定性影響大的部件即異質構件臺體、加速度計及螺釘根據其實際尺寸建立幾何模型，而對異質構件穩定性影響小的部件進行忽略； b)模型簡化為了避免較大的計算誤差，保留了異質構件臺體上加速度計安裝面上的孔、導角等；忽略加速度計內部結構，僅建立加速度計外殼模型，即上殼、下殼和法蘭盤；忽略螺釘上圓頭中間的字道及螺柱上螺紋的影響；c)結構裝配利用UG軟件將建好的異質構件臺體模型、加速度計模型和螺釘模型
三者裝配在一起；d)模型導入通過Parasolid輸入方法將UG中裝配后的異質構件幾何模型導入到ANSYS Workbench軟件中，得到異質構件有限元模型。其中，在步驟一中所述的建立材料模型庫，其具體步驟如下a)定義單位制由于異質構件有限元仿真精度要求較高，所以在國際單位制的基礎上自定義單位制毫米(mm)、兆帕(MPa)、千克(kg)、秒(S)、毫安(mA)以及毫伏(mV),之后所有部件尺寸、材料屬性以及載荷數值均通過此單位制換算得到；b)輸入各部件的材料屬性結合仿真類型輸入仿真需要用到的各部件材料屬性，異質構件材料屬性主要有鋁合金、不銹鋼和低碳合金鋼，其分析所需要的材料屬性包括密度、彈性模量以及泊松比；c)分配屬性結合建立的材料模型庫對異質構件各部件賦值，使異質構件各部件材料與實際材料相一致，具體做法是結合異質構件臺體、加速度計和螺釘的材料屬性在有限元軟件中對異質構件部件賦值，使異質構件所有部件的材料與實際材料相一致。其中，在步驟一中所述的網格劃分，其具體步驟如下對影響殘余應力分布的部件以及殘余應力集中部位即螺釘和加速度計，增大網格密度，提高計算精度，通過全局尺寸控制進行網格細化；異質構件臺體結構復雜，且不規則，對其使用自動網格劃分，其可以根據結構的形狀和尺寸自動定義單元和節點數量。其中，在步驟二中所述的對異質構件有限元模型進行靜力結構分析，其具體步驟如下結合有限元靜力結構分析流程對異質構件進行有限元仿真，根據現有的異質構件工藝參數，對異質構件施加螺釘預緊力和約束，得到異質構件在預緊力作用下產生的殘余應力及其分布。其中，在步驟三中所述的對異質構件有限元模型進行模態分析，其具體步驟如下
結合有限元模態分析流程對異質構件進行有限元仿真，采用完全法計算異質構件前8階固有頻率，并根據共振時獲得振動量大的基本原理，從中選取合適的頻率作為振動時效參數。其中，在步驟四中所述的對異質構件有限元模型進行諧響應分析，其具體步驟如下結合有限元諧響應分析流程對異質構件進行有限元仿真，通過對異質構件施加不同位移幅值，得到異質構件變形量與頻率的關系曲線，并根據曲線確定振動時效時所需的振幅幅值。其中，在步驟五中所述的對異質構件有限元模型進行瞬態動力分析，其具體步驟如下結合有限元瞬態動力分析流程對異質構件進行有限元仿真，該瞬態動力分析是指在靜力結構分析得到殘余應力分布的條件下，根據仿真給出的振動時效參數對異質構件進行振動時效分析即瞬態動力分析，得到振動時效后異質構件殘余應力分布。通過對異質構件進行結構瞬態動力分析，最終可以獲得異質構件中殘余應力的分布情況以及振動時效后殘余應力的分布情況，提供了一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，并通過仿真結果獲得振動時效工藝參數，從而為振動時效工藝參數提供數據參考。本發明一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，其優點是I.采用ANSYS Workbench數值模擬技術和有限元參數化設計語言(APDL)相結合。從材料庫建立、幾何模型建立、網格劃分、靜力結構分析、模態分析到諧響應分析，均采用ANSYS Workbench有限元軟件實現，其簡潔方便。在瞬態動力分析時，采用有限元參數化設計語言(APDL)寫入循環代碼進行迭代過程，極大地減少了工作量。2.通過對異質構件施加螺釘預緊力，可以得到在預緊力作用下，異質構件殘余應力的分布情況，與異質構件殘余應力分布的實際情況想對比，證明了螺釘預緊力施加方式的合理性。3.能夠通過仿真結果研究振動時效后異質構件殘余應力分布情況。由于建立的異質構件模型綜合考慮了其各部件尺寸和材料屬性，同時有限元仿真重點確定了振動時效工藝參數，因此能夠通過仿真結果研究振動時效后異質構件殘余應力分布情況。
圖I是本發明方法流程圖。圖2是本發明實施例的異質構件變形量與頻率的關系圖。圖3是本發明實施例的異質構件振動時效后殘余應力分布圖。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。以下實施例是按照如圖I所示的流程進行實施的，主要包括建立有限元模型、靜力結構分析、模態分析、諧相應分析和瞬態動力分析。異質構件組件由臺體、兩個動力調諧陀螺儀、三個石英撓性加速度計、螺釘、法蘭盤、軸承、基座等組成。由于本實施例主要研究異質構件上加速度計附近螺釘預緊力的變化，因此僅建立了異質構件臺體、加速度計和螺釘的實體模型。本發明一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，如圖I所示，其步驟如下步驟一建立異質構件有限元模型，主要包括I、建立異質構件有限元模型。首先，建立模型。建立異質構件臺體、加速度計及螺釘的模型，具體做法是針對預緊力對異質構件穩定性影響大的部件即異質構件臺體、加速度計及螺釘進行建模，而對異質構件穩定性影響小的部件進行忽略。其次，模型簡化。為了避免較大的計算誤差，保留了異質構件臺體上加速度計安裝面上的孔、導角等；忽略加速度計內部結構，僅建立加速度計外殼模型，即上殼、下殼和法蘭盤；忽略螺釘上圓頭中間的字道及螺柱上螺紋的影響。再次，結構裝配。利用UG軟件將建好的異質構件臺體模型、加速度計模型和螺釘
模型三者裝配在一起。最后,模型導入。通過Parasolid輸入方法將UG中裝配后的異質構件實體模型導入到ANSYS Workbench軟件中，得到異質構件有限元模型。2、建立材料模型庫。首先，定義單位制。由于異質構件有限元仿真精度要求較高，所以在國際單位制的基礎上自定義單位制毫米(mm)、兆帕(MPa)、千克(kg)、秒(S)、毫安(mA)以及毫伏(mV),之后所有部件尺寸、材料屬性以及載荷數值均通過此單位制換算得到。其次，輸入各部件的材料屬性。結合仿真類型輸入仿真需要用到的各部件材料屬性，異質構件材料屬性主要有鋁合金、不銹鋼和低碳合金鋼，其分析所需要的材料屬性包括密度、彈性模量以及泊松比，如表I所示。表I異質構件各部件材料屬性
權利要求
1.一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，其特征在于該方法步驟如下 步驟一建立異質構件有限元模型；建立異質構件臺體、加速度計和螺釘的模型，進行結構簡化，并把三者裝配成一體，得到異質構件幾何模型；將異質構件幾何模型通過Parasolid輸入方法導入有限元軟件中，得到異質構件有限元模型；建立材料模型庫，包括定義單位制和輸入各部件的材料屬性；針對異質構件有限元模型不同的部件實施不同的網格精度劃分方法進行有限元網格劃分； 步驟二 對異質構件有限元模型進行靜力結構分析，通過對異質構件施加螺釘預緊力，得到異質構件在預緊力作用下產生的殘余應力及其分布； 步驟三對異質構件有限元模型進行模態分析，通過模態分析計算得到異質構件前8階固有頻率，并從中選取予定的頻率作為振動時效參數； 步驟四對異質構件有限元模型進行諧響應分析，通過諧響應分析計算得到異質構件變形量和頻率的關系曲線，并通過仿真結果確定振動時效時所需的振幅幅值； 步驟五對異質構件有限元模型進行瞬態動力分析，通過瞬態動力分析計算得到振動時效后的異質構件殘余應力的分布。
2.根據權利要求I所述的一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，其特征在于在步驟一中所述的建立異質構件有限元模型，其具體做法的步驟如下 a)建立模型建立異質構件臺體、加速度計及螺釘的模型，具體做法是針對預緊力對異質構件穩定性影響大的部件即異質構件臺體、加速度計及螺釘進行建模，而對異質構件穩定性影響小的部件進行忽略； b)模型簡化為了避免較大的計算誤差，保留了異質構件臺體上加速度計安裝面上的孔、導角；忽略加速度計內部結構，僅建立加速度計外殼模型，即上殼、下殼和法蘭盤；忽略螺釘上圓頭中間的字道及螺柱上螺紋的影響； c)結構裝配利用UG軟件將建好的異質構件臺體模型、加速度計模型和螺釘模型三者裝配在一起； d)模型導入通過Parasolid輸入方法將UG中裝配后的異質構件幾何模型導入到ANSYS Workbench軟件中，得到異質構件有限元模型。
3.根據權利要求I所述的一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，其特征在于在步驟一中所述的建立材料模型庫，其具體步驟如下 a)定義單位制由于異質構件有限元仿真精度要求高，所以在國際單位制的基礎上自定義單位制毫米即mm、兆帕即MPa、千克即kg、秒即S、毫安即mA以及毫伏即mV，之后所有部件尺寸、材料屬性以及載荷數值均通過此單位制換算得到； b)輸入各部件的材料屬性結合仿真類型輸入仿真需要用到的各部件材料屬性，異質構件材料屬性主要有鋁合金、不銹鋼和低碳合金鋼，其分析所需要的材料屬性包括密度、彈性模量以及泊松比； c)分配屬性結合建立的材料模型庫對異質構件各部件賦值，使異質構件各部件材料與實際材料相一致，具體做法是結合異質構件臺體、加速度計和螺釘的材料屬性在有限元軟件中對異質構件部件賦值，使異質構件所有部件的材料與實際材料相一致。
4.根據權利要求I所述的一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，其特征在于在步驟一中所述的網格劃分，其具體做法如下對影響殘余應力分布的部件以及殘余應力集中部位即螺釘和加速度計，增大網格密度，提高計算精度，通過全局尺寸控制進行網格細化；異質構件臺體結構復雜，且不規則，對其使用自動網格劃分，根據結構的形狀和尺寸自動定義單元和節點數量。
5.根據權利要求I所述的一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，其特征在于在步驟二中所述的對異質構件有限元模型進行靜力結構分析，其具體做法如下結合有限元靜力結構分析流程對異質構件進行有限元仿真，根據現有的異質構件工藝參數，對異質構件施加螺釘預緊力和約束，得到異質構件在預緊力作用下產生的殘余應力及其分布。
6.根據權利要求I所述的一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，其特征在于在步驟三中所述的對異質構件有限元模型進行模態分析，其具體做法如下結合有限元模態分析流程對異質構件進行有限元仿真，采用完全法計算異質構件前8階固有頻率，并根據共振時獲得振動量大的基本原理，從中選取合適的頻率作為振動時效參數。
7.根據權利要求I所述的一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，其特征在于在步驟四中所述的對異質構件有限元模型進行諧響應分析，其具體做法如下結合有限元諧響應分析流程對異質構件進行有限元仿真，通過對異質構件施加不同位移幅值，得到異質構件變形量與頻率的關系曲線，并根據曲線確定振動時效時所需的振幅幅值。
8.根據權利要求I所述的一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，其特征在于在步驟五中所述的對異質構件有限元模型進行瞬態動力分析，其具體做法如下結合有限元瞬態動力分析流程對異質構件進行有限元仿真，該瞬態動力仿真分析是指在靜力結構分析得到殘余應力分布的條件下，根據仿真給出的振動時效工藝參數對異質構件進行振動時效分析即瞬態動力分析，得到振動時效后異質構件殘余應力分布。
全文摘要
一種快速消除異質構件殘余應力有效方法，其步驟如下一建立異質構件有限元模型；包括結構簡化、幾何模型建立、定義材料屬性和網格劃分；二對異質構件有限元模型進行靜力結構分析，通過施加螺釘預緊力，得到異質構件殘余應力及其分布；三對異質構件有限元模型進行模態分析計算得到異質構件前8階固有頻率，并從中選取予定的頻率作為振動時效參數；四對異質構件有限元模型進行諧響應分析計算得到異質構件變形量和頻率的關系曲線，并通過仿真結果確定振動時效時所需的振幅幅值；五對異質構件有限元模型進行瞬態動力分析，通過瞬態動力分析計算得到振動時效后的異質構件殘余應力的分布，解決了工程上振動時效工藝參數選取的科學性。
文檔編號G06F17/50GK102799729SQ20121024468
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者許丹, 肖長玲, 陳云霞, 康銳 申請人:北京航空航天大學