一种构件强度的优化方法及其应力分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种构件的应力分析方法，包括以下步骤：对构件进行有限元分析，得到单元的线性应力分布以及两端的边线载荷；在应力集中区域内、外分别插入第一、第二节点，将该单元划分为三个子单元；根据单元的力和力矩分别与三个子单元的合力和合力矩相等的原理，得到三个子单元各自的边线载荷；以三个子单元的多段线性应力分布替代该单元的线性应力分布，得到该单元的应力解析值。本发明采用分段线性载荷分布拟合原有单元的线性载荷分布，对较大的单元尺寸求得的分析结果修正与实际情况更为接近，明显地提高了构件应力分析的精度；同时可提高工作效率。在此基础上，本发明还提供一种构件强度的优化方法。
【专利说明】一种构件强度的优化方法及其应力分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及船舶、海洋平台、航空及车辆等行业的结构件设计，具体涉及构件强度的优化方法及其应力分析方法。
【背景技术】
[0002]有限元分析(FEA, Finite Element Analysis)是一种现代计算方法,它采用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟，利用简单而又相互作用的元素(即单元)，以有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。利用有限元分析对结构件(构件)进行详细的力学分析，可以获得构件在实际使用状态下尽可能真实的受力信息，从而可以在设计阶段对可能出现的各种问题进行安全评判，并进行相应的设计参数修改。据有关资料记载，一个新产品的结构设计缺陷有60%以上可以在设计阶段消除，因此，有限元分析这样的分析手段功不可没。目前，有限元分析已经广泛应用于不同学科的工程【技术领域】，以确保构件的工作强度。
[0003]在进行有限元分析时，对于结构尺寸较大的构件，通常会采用较大的网格尺寸(单元尺寸)进行建模，以提高分析计算的效率。但是，对于构件上的应力梯度变化较大的区域(通常为构件的结构刚度变化较大的区域，也是应力集中区域)，由于其应力分布一般表现为非线性分布，因此，采用较大的单元尺寸进行有限元分析，不能很好地描述该单元的应力的非线性分布情况，具体请参见以下示例。
[0004]图1所示构件为一种丁字型焊接接头，其中，底板11长3000mm，宽IOOOmm ;立板12长1000mm,高500mmm ;底板11和立板12的板厚t都是5mm ;立板12的底边焊接在底板11的右端顶面上，焊缝13的高度为5_。该丁字型焊接接头的右端固定，左端加载，采用板壳单元进行有限元分析。当设定单元的长度为100Xt=500mm时，立板12被划分为了如图2所示的两个单元(Al、A2),单元Al上的应力分布中如图4中直线Zl所示的线性载荷分布。
[0005]然而，上述结构中，底板11与立板12的焊缝13部位一定会有明显的应力集中，也就是说，实际上这个区域的应力分布应当表现为明显的非线性分布，显然，图4中Zl所示的线性载荷分布与实际情况存在一定的差距。为了得到相对精确的结果，进行有限元分析时，对于细部结构进行应力评估时(特别是应力集中区域)，通常需要细化局部网格。针对图1所示的结构，当设定单元的长度为如图3所示的12.5Xt=62.5mm时,单元Al被划分为了 8个单元，通过有限元分析后得到了图4中Z2所示的曲线，曲线Z2才可以很好地表明焊缝根部的非线性应力分布情况。
[0006]由此可见，在对构件的有限元分析过程中，单元尺寸对应力分析的结果影响较大，尤其在应力集中区域更为明显。虽然可以通过细化网格的方式得到相对精确的结果，但是这种处理方式工作量大，求解效率低，实现比较繁琐。
[0007]有鉴于此，亟待针对现有的有限元分析方法进行优化设计，以提高构件有限元分析的效率和精度，进一步提闻构件的强度可罪性。
【发明内容】
[0008]针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于提供一种构件的应力分析方法，以确保构件应力分析的精度，同时有效提高了工作效率。在此基础上，本发明还提供一种应用该应力分析方法的构件强度优化方法。
[0009]
[0010]
载荷；[0011]
插入第
[0012]
本发明提供的构件的应力分析方法，包括以下步骤:
对构件进行有限元分析，获得每一个单元的线性应力分布以及该单元两端的边线
在应力集中部位的所述单元的应力集中区域内插入第一节点，在应力集中区域外节点，将该单元划分为三个子单元；
根据所述单元的力和力矩分别与三个所述子单元的合力和合力矩相等的原理，确定三个所述子单元各自的边线载荷；
[0013]以三个所述子单元的边线载荷组成的多段线性应力分布替代该单元的线性应力分布，获得该单元的应力解析值。
[0014]优选地，所述第一节点和第二节点将相应的单元依次划分为第一、第二和第三子单元，其中，所述第三子单元的应力分布为均载，且边线载荷ff3= (fl+f2) /2，其中，fI和f2为该单元两端的边线载荷。
[0015]优选地，所述第一子单元的两端边线载荷ffl和ff2通过以下公式计算得到:
【权利要求】
1.构件的应力分析方法，其特征在于，包括以下步骤:对构件进行有限元分析，获得每一个单元的线性应力分布以及该单元两端的边线载荷；在应力集中部位的所述单兀的应力集中区域内插入弟一节点，在应力集中区域外插入第二节点，将该单元划分为三个子单元；根据所述单元的力和力矩分别与三个所述子单元的合力和合力矩相等的原理，确定三个所述子单元各自的边线载荷；以三个所述子单元的边线载荷组成的多段线性应力分布替代该单元的线性应力分布，获得该单元的应力解析值。
2.根据权利要求1所述的构件的应力分析方法，其特征在于，所述第一节点和第二节点将相应的单元依次划分为第一、第二和第三子单元，其中，所述第三子单元的应力分布为均载，且边线载荷ff3=(fl+f2)/2，其中，fl和f2为所述单元两端的边线载荷。
3.根据权利要求2所述的构件的应力分析方法，其特征在于，所述第一子单元的两端边线载荷ffl和ff2通过以下公式计算得到:
4.根据权利要求3所述的构件的应力分析方法，其特征在于，所述第一节点的应力解析值σ sl和第二节点的应力解析值σ s2分别通过以下公式计算得到:
5.根据权利要求1所述的构件的应力分析方法，其特征在于，所述第一节点位于所述应力集中区域的边缘位置。
6.根据权利要求5所述的构件的应力分析方法，其特征在于，12^ 11, 11为第一节点与该单元较大的边线载荷之间的距离，12为第二节点与第一节点之间的距离。
7.根据权利要求6所述的构件的应力分析方法，其特征在于，12< 1.511。
8.根据权利要求1至7项任一项所述的构件的应力分析方法，其特征在于，所述构件为丁字型焊接接头。
9.构件强度的优化方法，其特征在于，包括以下步骤:步骤I，对构件进行三维建模；步骤2，将构件的三维模型数据导入有限元分析软件进行初步分析，得到每一个单元的应力分布；步骤3，采用如权利要求1至7中任一项所述的方法进行应力分析，得到相应单元的应力解析值；步骤4，将所述应力解析值与设计要求进行比较获得当前构件是否满足设计要求的判断结果，当所述判断结果为满足设计要求时，认定该构件的设计结构合理，退出；否则，修改构件的结构，转步骤I。`
【文档编号】G06F17/50GK103559361SQ201310566613
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】李向伟, 孟庆民, 陈龙 申请人:齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司