专利名称：一种快速消除异质构件残余应力有效方法
技术领域：
本发明提供一种快速消除异质构件残余应力有效方法，特别是涉及一种基于有限元的快速消除由于螺钉预紧力引起的异质构件残余应力的有效方法，属于有限元仿真技术领域。
背景技术：
加速度计等惯性元件是通过螺钉安装在异质构件台体上，在长期的贮存和使用过程中，由于螺钉预紧力的松弛，造成异质构件结构发生装配变形，从而产生安装误差角，影响系统参数稳定性。近年来由于电子计算机的应用和计算方法的新进展，有限元分析方法作为一个强有力的数值分析工具，已被广泛用于工程领域。通过对现有基于有限元分析的技术文献检索发现，针对异质构件的研究，多集中于对异质构件整体进行动态设计分析或计算异质构件参数漂移方法等研究方面；对于螺钉也多集中于研究在高温条件下，螺钉自 身的预紧力变化或蠕变松弛分析；而关于振动时效消除残余应力的研究也主要是通过实验方法进行，并且由于振动时效工艺参数选取完全凭借经验，缺乏科学依据，其具有盲目性。因此，本发明主要针对这些问题，通过有限元仿真分析的方法，定量地获得异质构件中残余应力的分布情况以及振动时效后残余应力的分布情况，提供了一种快速消除异质构件残余应力有效方法，并通过仿真结果获得振动时效工艺参数，从而为振动时效工艺参数提供数据参考。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种快速消除异质构件残余应力有效方法，它是基于有限元的异质构件整体简化模型以及结合静力结构分析、模态分析、谐响应分析和瞬态动力分析的仿真方法，通过对异质构件进行振动时效分析，以达到均化或降低残余应力的目的，并且确定出振动时效工艺参数，以便于工程试验应用。本发明是基于以下技术方案实现的，首先对异质构件中异质构件台体、加速度计和螺钉进行建模与装配，并将装配模型导入到有限元中，得到了异质构件装配结构的有限元模型，结合异质构件结构尺寸特性进行网格划分；再对异质构件施加螺钉预紧力，得到残余应力分布，并对异质构件进行模态分析和谐响应分析，得到其激振频率和激振幅值；最后对异质构件进行振动时效分析，得到振动时效后的装配残余应力分布。本发明一种快速消除异质构件残余应力有效方法，其步骤如下步骤一建立异质构件有限元模型；建立异质构件台体、加速度计和螺钉的模型，进行结构简化，并把三者装配成一体，得到异质构件几何模型；将异质构件几何模型通过Parasolid输入方法导入有限元软件中，得到异质构件有限元模型；建立材料模型库，包括定义单位制和输入各部件的材料属性；针对异质构件有限元模型不同的部件实施不同的网格精度划分方法进行有限元网格划分；步骤二 对异质构件有限元模型进行静力结构分析，通过对异质构件施加螺钉预紧力，得到异质构件在预紧力作用下产生的残余应力及其分布；步骤三对异质构件有限元模型进行模态分析，通过模态分析计算得到异质构件前8阶固有频率,并从中选取合适的频率作为振动时效参数；步骤四对异质构件有限元模型进行谐响应分析，通过谐响应分析计算得到异质构件变形量和频率的关系曲线，并通过仿真结果确定振动时效时所需的振幅幅值；步骤五对异质构件有限元模型进行瞬态动力分析，通过瞬态动力分析计算得到振动时效后的异质构件残余应力的分布；其中，在步骤一中所述的建立异质构件有限元模型，其具体做法的步骤如下a)建立模型建立异质构件台体、加速度计及螺钉的模型，具体做法是针对预紧力对异质构件稳定性影响大的部件即异质构件台体、加速度计及螺钉根据其实际尺寸建立几何模型，而对异质构件稳定性影响小的部件进行忽略； b)模型简化为了避免较大的计算误差，保留了异质构件台体上加速度计安装面上的孔、导角等；忽略加速度计内部结构，仅建立加速度计外壳模型，即上壳、下壳和法兰盘；忽略螺钉上圆头中间的字道及螺柱上螺纹的影响；c)结构装配利用UG软件将建好的异质构件台体模型、加速度计模型和螺钉模型
三者装配在一起；d)模型导入通过Parasolid输入方法将UG中装配后的异质构件几何模型导入到ANSYS Workbench软件中，得到异质构件有限元模型。其中，在步骤一中所述的建立材料模型库，其具体步骤如下a)定义单位制由于异质构件有限元仿真精度要求较高，所以在国际单位制的基础上自定义单位制毫米(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、材料属性以及载荷数值均通过此单位制换算得到；b)输入各部件的材料属性结合仿真类型输入仿真需要用到的各部件材料属性，异质构件材料属性主要有铝合金、不锈钢和低碳合金钢，其分析所需要的材料属性包括密度、弹性模量以及泊松比；c)分配属性结合建立的材料模型库对异质构件各部件赋值，使异质构件各部件材料与实际材料相一致，具体做法是结合异质构件台体、加速度计和螺钉的材料属性在有限元软件中对异质构件部件赋值，使异质构件所有部件的材料与实际材料相一致。其中，在步骤一中所述的网格划分，其具体步骤如下对影响残余应力分布的部件以及残余应力集中部位即螺钉和加速度计，增大网格密度，提高计算精度，通过全局尺寸控制进行网格细化；异质构件台体结构复杂，且不规则，对其使用自动网格划分，其可以根据结构的形状和尺寸自动定义单元和节点数量。其中，在步骤二中所述的对异质构件有限元模型进行静力结构分析，其具体步骤如下结合有限元静力结构分析流程对异质构件进行有限元仿真，根据现有的异质构件工艺参数，对异质构件施加螺钉预紧力和约束，得到异质构件在预紧力作用下产生的残余应力及其分布。其中，在步骤三中所述的对异质构件有限元模型进行模态分析，其具体步骤如下
结合有限元模态分析流程对异质构件进行有限元仿真，采用完全法计算异质构件前8阶固有频率，并根据共振时获得振动量大的基本原理，从中选取合适的频率作为振动时效参数。其中，在步骤四中所述的对异质构件有限元模型进行谐响应分析，其具体步骤如下结合有限元谐响应分析流程对异质构件进行有限元仿真，通过对异质构件施加不同位移幅值，得到异质构件变形量与频率的关系曲线，并根据曲线确定振动时效时所需的振幅幅值。其中，在步骤五中所述的对异质构件有限元模型进行瞬态动力分析，其具体步骤如下结合有限元瞬态动力分析流程对异质构件进行有限元仿真，该瞬态动力分析是指在静力结构分析得到残余应力分布的条件下，根据仿真给出的振动时效参数对异质构件进行振动时效分析即瞬态动力分析，得到振动时效后异质构件残余应力分布。通过对异质构件进行结构瞬态动力分析，最终可以获得异质构件中残余应力的分布情况以及振动时效后残余应力的分布情况，提供了一种快速消除异质构件残余应力有效方法，并通过仿真结果获得振动时效工艺参数，从而为振动时效工艺参数提供数据参考。本发明一种快速消除异质构件残余应力有效方法，其优点是I.采用ANSYS Workbench数值模拟技术和有限元参数化设计语言(APDL)相结合。从材料库建立、几何模型建立、网格划分、静力结构分析、模态分析到谐响应分析，均采用ANSYS Workbench有限元软件实现，其简洁方便。在瞬态动力分析时，采用有限元参数化设计语言(APDL)写入循环代码进行迭代过程，极大地减少了工作量。2.通过对异质构件施加螺钉预紧力，可以得到在预紧力作用下，异质构件残余应力的分布情况，与异质构件残余应力分布的实际情况想对比，证明了螺钉预紧力施加方式的合理性。3.能够通过仿真结果研究振动时效后异质构件残余应力分布情况。由于建立的异质构件模型综合考虑了其各部件尺寸和材料属性，同时有限元仿真重点确定了振动时效工艺参数，因此能够通过仿真结果研究振动时效后异质构件残余应力分布情况。
图I是本发明方法流程图。图2是本发明实施例的异质构件变形量与频率的关系图。图3是本发明实施例的异质构件振动时效后残余应力分布图。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。以下实施例是按照如图I所示的流程进行实施的，主要包括建立有限元模型、静力结构分析、模态分析、谐相应分析和瞬态动力分析。异质构件组件由台体、两个动力调谐陀螺仪、三个石英挠性加速度计、螺钉、法兰盘、轴承、基座等组成。由于本实施例主要研究异质构件上加速度计附近螺钉预紧力的变化，因此仅建立了异质构件台体、加速度计和螺钉的实体模型。本发明一种快速消除异质构件残余应力有效方法，如图I所示，其步骤如下步骤一建立异质构件有限元模型，主要包括I、建立异质构件有限元模型。首先，建立模型。建立异质构件台体、加速度计及螺钉的模型，具体做法是针对预紧力对异质构件稳定性影响大的部件即异质构件台体、加速度计及螺钉进行建模，而对异质构件稳定性影响小的部件进行忽略。其次，模型简化。为了避免较大的计算误差，保留了异质构件台体上加速度计安装面上的孔、导角等；忽略加速度计内部结构，仅建立加速度计外壳模型，即上壳、下壳和法兰盘；忽略螺钉上圆头中间的字道及螺柱上螺纹的影响。再次，结构装配。利用UG软件将建好的异质构件台体模型、加速度计模型和螺钉
模型三者装配在一起。最后,模型导入。通过Parasolid输入方法将UG中装配后的异质构件实体模型导入到ANSYS Workbench软件中，得到异质构件有限元模型。2、建立材料模型库。首先，定义单位制。由于异质构件有限元仿真精度要求较高，所以在国际单位制的基础上自定义单位制毫米(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、材料属性以及载荷数值均通过此单位制换算得到。其次，输入各部件的材料属性。结合仿真类型输入仿真需要用到的各部件材料属性，异质构件材料属性主要有铝合金、不锈钢和低碳合金钢，其分析所需要的材料属性包括密度、弹性模量以及泊松比，如表I所示。表I异质构件各部件材料属性
权利要求
1.一种快速消除异质构件残余应力有效方法，其特征在于该方法步骤如下 步骤一建立异质构件有限元模型；建立异质构件台体、加速度计和螺钉的模型，进行结构简化，并把三者装配成一体，得到异质构件几何模型；将异质构件几何模型通过Parasolid输入方法导入有限元软件中，得到异质构件有限元模型；建立材料模型库，包括定义单位制和输入各部件的材料属性；针对异质构件有限元模型不同的部件实施不同的网格精度划分方法进行有限元网格划分； 步骤二 对异质构件有限元模型进行静力结构分析，通过对异质构件施加螺钉预紧力，得到异质构件在预紧力作用下产生的残余应力及其分布； 步骤三对异质构件有限元模型进行模态分析，通过模态分析计算得到异质构件前8阶固有频率，并从中选取予定的频率作为振动时效参数； 步骤四对异质构件有限元模型进行谐响应分析，通过谐响应分析计算得到异质构件变形量和频率的关系曲线，并通过仿真结果确定振动时效时所需的振幅幅值； 步骤五对异质构件有限元模型进行瞬态动力分析，通过瞬态动力分析计算得到振动时效后的异质构件残余应力的分布。
2.根据权利要求I所述的一种快速消除异质构件残余应力有效方法，其特征在于在步骤一中所述的建立异质构件有限元模型，其具体做法的步骤如下 a)建立模型建立异质构件台体、加速度计及螺钉的模型，具体做法是针对预紧力对异质构件稳定性影响大的部件即异质构件台体、加速度计及螺钉进行建模，而对异质构件稳定性影响小的部件进行忽略； b)模型简化为了避免较大的计算误差，保留了异质构件台体上加速度计安装面上的孔、导角；忽略加速度计内部结构，仅建立加速度计外壳模型，即上壳、下壳和法兰盘；忽略螺钉上圆头中间的字道及螺柱上螺纹的影响； c)结构装配利用UG软件将建好的异质构件台体模型、加速度计模型和螺钉模型三者装配在一起； d)模型导入通过Parasolid输入方法将UG中装配后的异质构件几何模型导入到ANSYS Workbench软件中，得到异质构件有限元模型。
3.根据权利要求I所述的一种快速消除异质构件残余应力有效方法，其特征在于在步骤一中所述的建立材料模型库，其具体步骤如下 a)定义单位制由于异质构件有限元仿真精度要求高，所以在国际单位制的基础上自定义单位制毫米即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、材料属性以及载荷数值均通过此单位制换算得到； b)输入各部件的材料属性结合仿真类型输入仿真需要用到的各部件材料属性，异质构件材料属性主要有铝合金、不锈钢和低碳合金钢，其分析所需要的材料属性包括密度、弹性模量以及泊松比； c)分配属性结合建立的材料模型库对异质构件各部件赋值，使异质构件各部件材料与实际材料相一致，具体做法是结合异质构件台体、加速度计和螺钉的材料属性在有限元软件中对异质构件部件赋值，使异质构件所有部件的材料与实际材料相一致。
4.根据权利要求I所述的一种快速消除异质构件残余应力有效方法，其特征在于在步骤一中所述的网格划分，其具体做法如下对影响残余应力分布的部件以及残余应力集中部位即螺钉和加速度计，增大网格密度，提高计算精度，通过全局尺寸控制进行网格细化；异质构件台体结构复杂，且不规则，对其使用自动网格划分，根据结构的形状和尺寸自动定义单元和节点数量。
5.根据权利要求I所述的一种快速消除异质构件残余应力有效方法，其特征在于在步骤二中所述的对异质构件有限元模型进行静力结构分析，其具体做法如下结合有限元静力结构分析流程对异质构件进行有限元仿真，根据现有的异质构件工艺参数，对异质构件施加螺钉预紧力和约束，得到异质构件在预紧力作用下产生的残余应力及其分布。
6.根据权利要求I所述的一种快速消除异质构件残余应力有效方法，其特征在于在步骤三中所述的对异质构件有限元模型进行模态分析，其具体做法如下结合有限元模态分析流程对异质构件进行有限元仿真，采用完全法计算异质构件前8阶固有频率，并根据共振时获得振动量大的基本原理，从中选取合适的频率作为振动时效参数。
7.根据权利要求I所述的一种快速消除异质构件残余应力有效方法，其特征在于在步骤四中所述的对异质构件有限元模型进行谐响应分析，其具体做法如下结合有限元谐响应分析流程对异质构件进行有限元仿真，通过对异质构件施加不同位移幅值，得到异质构件变形量与频率的关系曲线，并根据曲线确定振动时效时所需的振幅幅值。
8.根据权利要求I所述的一种快速消除异质构件残余应力有效方法，其特征在于在步骤五中所述的对异质构件有限元模型进行瞬态动力分析，其具体做法如下结合有限元瞬态动力分析流程对异质构件进行有限元仿真，该瞬态动力仿真分析是指在静力结构分析得到残余应力分布的条件下，根据仿真给出的振动时效工艺参数对异质构件进行振动时效分析即瞬态动力分析，得到振动时效后异质构件残余应力分布。
全文摘要
一种快速消除异质构件残余应力有效方法，其步骤如下一建立异质构件有限元模型；包括结构简化、几何模型建立、定义材料属性和网格划分；二对异质构件有限元模型进行静力结构分析，通过施加螺钉预紧力，得到异质构件残余应力及其分布；三对异质构件有限元模型进行模态分析计算得到异质构件前8阶固有频率，并从中选取予定的频率作为振动时效参数；四对异质构件有限元模型进行谐响应分析计算得到异质构件变形量和频率的关系曲线，并通过仿真结果确定振动时效时所需的振幅幅值；五对异质构件有限元模型进行瞬态动力分析，通过瞬态动力分析计算得到振动时效后的异质构件残余应力的分布，解决了工程上振动时效工艺参数选取的科学性。
文档编号G06F17/50GK102799729SQ20121024468
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者许丹, 肖长玲, 陈云霞, 康锐 申请人:北京航空航天大学