模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法及应用

模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法及应用

本发明涉及有限元仿真技术领域，具体涉及一种用于模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法。

背景技术：

螺纹连接是一种应用广泛的可拆卸式固定连接，具有结构简单、连接可靠、拆装方便等优点。

在车身与底盘的连接形式（螺纹连接、焊接、铆接、涂胶等）中，最常见、应用最广泛的方式是螺纹连接，其连接性能直接影响整车的振动模式和安全性能。由于螺纹连接工作过程中的压缩力和摩擦力矩等物理量无法直接测量，因此有限元仿真技术的应力分析和疲劳分析成为研究本体-底盘系统连接松动原理的必由之路。对于

解决上述问题，现有技术中也有技术方案，例如：1）锥螺纹接头通过创建基准面生成与模型表面的交线，划分出六面体网格，但必须建立螺栓和螺母的三维模型，网格质量和仿真精度受三维模型精度的限制;2） 螺栓模型的关键几何尺寸在有限元软件中参数化，但方法较复杂，坐标计算量大。

技术实现要素：本

发明是为了解决上述问题而实施的，目的是提供一种六面体有限元网格划分方法，用于在不建立实心螺纹三维模型的情况下模拟螺纹配合。

本发明提供的模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法，其特征在于，它包括以下步骤：

第一步是收集螺栓与螺母配合状态下节距内螺纹轴向截面的结构尺寸;

第二步是求螺栓和螺母径向截面中螺纹顶部和螺纹底部所有点到螺纹轴线的距离变化规律，然后根据结构尺寸和变化规律，得出螺栓外螺纹轮廓，螺母内螺纹轮廓， 螺栓与螺母匹配时，用CATIA或UG绘图软件绘制螺栓网格分界线和螺母网格分界线，得到平面图;

步骤3，以螺纹齿顶为最小局部特征，根据最小局部特征确定网格的轴向尺寸L和单个节距内网格的层数N，根据层数N与周向网格节点的重合关系确定螺栓外螺纹轮廓上的节点数N;

步骤 4、通过 CATIA 或 UG 绘图软件为平面图添加轴向尺寸 l，将平面图导入有限元软件，并通过快速编辑功能，使螺栓网格分界线以外的椭圆环面被节点径向连接形成的 n 个面均匀划分， 从而得到 grid 实体;

第 5 步，在有限元软件中，通过一个功能，将网格实体的端面根据节点自动划分为二维平面四边形网格;

第六步，在有限元软件中，通过SOLID功能，对二维平面四边形网格进行轴向拉伸，以轴向尺寸L，在所述端面上生成一层六面体网格;

第七步，在有限元软件中，首先通过一个函数复制步骤六中六面体网格中螺栓网格分界线外的六面体网格，并轴向平移轴向尺寸 L，然后通过该函数，以螺栓的中心轴线为螺栓轴线，沿螺纹变化方向旋转一个网格层错误角度， 然后在六面体网格中的六面体网格中复制螺栓网格分界线内的六面体网格，并直接沿轴向平移轴向尺寸 l，得到第二个六面体网格;

步骤 8、在有限元软件中，通过一个函数替换步骤 7 螺纹网格区域中六面体网格的螺纹网格面上的节点，使相邻的两层六面体网格的表面不连续;

步骤 9，在有限元软件中，重复步骤 7 和 8，直到所有六面体网格都在一个螺距内生成;

步骤 10、在有限元软件中，根据外螺纹和内螺纹齿的数量，利用软件功能，将步骤 6 到步骤 9 的单螺距六面体网格复制，通过轴向平移得到螺纹啮合区域的完整六面体网格;

步骤 11、在有限元软件中，创建新的螺栓杆网格平面和螺母网格平面，根据螺栓杆网格和螺母网格的网格节点直接拉伸网格平面，然后复制、平移，得到螺栓杆六面体网格和螺母六面体网格;

步骤 12，根据螺纹圆周方向的网格数以及网格的最小尺寸与网格最大尺寸之间的差异，确定过渡层数 z

步骤 13，沿轴向复制步骤 6 中绘制的螺栓最外层六面体网格的 z 层，每层选择一个六面体网格，使每层选中的六面体网格尺寸均匀减小，删除每层中所有小于该层所选网格尺寸的六面体网格， 用与该层选中的网格规格相同的六面体网格补充该层的删除部分，然后替换网格过渡层外表面使相邻两层的六面体网格表面不连续的节点;

步骤 14，从而得到完整的六面体网格模型和完整的螺栓螺母网格划分六面体网格模型。本发明提供的用于模拟螺纹配合面几何特性的六面体有限元网格划分方法也可以具有这样一个特征：其中，所述结构尺寸至少包括螺纹齿尖值和螺距值。

本发明提供的用于模拟螺纹配合面几何特征的六面体有限元网格划分方法，也可以具有这样的特征：其中，第二步中的螺栓外螺纹轮廓线是根据螺栓的啮合端面拟合至少30个特征点绘制的;通过在螺母的啮合端面上拟合至少 30 个特征点来绘制螺母内螺纹的轮廓。

本发明提供的用于模拟螺纹配合面几何特征的六面体有限元网格划分方法也可以具有这样一个特征：其中，根据需求模型的精度要求，调整步骤三中最小局部特征的网格数。

本发明提供的用于模拟螺纹配合面几何特性的六面体有限元网格划分方法也可以具有这样的特性：其中，步骤三中的轴向尺寸l与单节距中网格的层数N乘以关系;螺栓外螺纹轮廓上的节点数 n 至少是单个螺距中网格层数 n 的 4 倍。

发明的作用和效果

这本

发明涉及的模拟螺纹配合的六面体有限元网格划分方法首先根据螺纹表面与螺纹轴线的距离变化规律确定单层螺纹的横截面轮廓线，并确定螺纹最小特征的轴向有限元网格尺寸;然后，根据单节距中轴向划分的网格层数与相邻层之间的旋转角度之间的关系确定圆周有限元网格的数量，通过拉伸螺栓螺纹端面的四边形网格形成单层六面体网格，通过复制得到单节距螺栓的六面体网格模型， 旋转并替换为 Nodes。最后，根据外螺纹和内螺纹齿数，复制并平移单节距网格，得到完整螺栓螺纹零件的六面体网格模型。因此，本发明的六面体有限元网格划分方法不需要建立坚实的外螺纹和内螺纹三维模型，不需要大量的节点坐标计算，不仅可以提高螺纹网格划分的质量，而且可以提高模拟计算的准确性和效率，可广泛应用于各类螺栓螺母的螺纹的六面体网格划分。

图纸描述

图1是本发明的螺距实施例中梯形螺纹轴向截面的结构尺寸示意图;

图2是本发明实施例中梯形螺纹径向段齿顶与齿底上点到螺纹轴线的距离变化规律示意图;

图3为本实用新型实施例中螺栓外螺纹端面轮廓、螺母内螺纹端面轮廓、螺栓格栅分界线和螺母格栅分界线的示意图;

图4是本发明实施例中螺栓网格分界线外椭圆环外节点径向连接形成的64面均衡示意图;

图5为本实用新型实施例中螺栓与螺母的啮合面上的平面四边形网格示意图;

图6是本发明实施例中基于图5的平面四边形网格生成的六面体网格层的示意图;

图7是本发明实施例中图6中螺栓分界线外的第一层网格生成的第二层网格的示意图;

图8是本发明实施例中相邻的两层六面体网格的示意图;

图9是本发明实施例之一中螺栓外螺纹的六面体网格示意图;

图10为本发明实施例之一中螺母内螺纹六面体网格的示意图;

图11是本发明实施例中生成的螺纹编号为8的螺栓螺纹部分的六面体网格模型和螺纹编号为6的螺母六面体网格模型的示意图;

图12是本发明实施例中螺栓光杆过渡层布置的示意图;

图 13 是本发明实施例中生成的完整螺栓六面体网格模型的示意图;以及

图 14 是本发明实施例中生成的完整螺栓螺母啮合六面体网格模型的示意图。

具体实施方式

以下实施例与实施例相结合，以进一步描述一种用于模拟本发明涉及的螺纹配合的六面体有限元网格划分方法。

本实施例中的螺栓为M16×95，螺纹总数为8圈，接触螺纹为6圈，右手螺栓螺距为2，本发明用有限元分析预处理软件进行描述，其步骤如下：

图1是本发明实施例中螺距中梯形螺纹轴向截面的结构尺寸示意图。

步骤1，收集节距内螺纹轴向截面的结构尺寸在螺栓与螺母配合的状态下，如图1所示，在本实施例中，收集的结构尺寸包括以下内容：螺纹的公称直径为16，即螺母内螺纹的大直径D， 螺栓外螺纹的大直径d为16，螺距P为2，螺纹的原始三角高度为1，内螺纹的中径D2和外螺纹的中径d2均为14，内螺纹的小直径D1和外螺纹的小直径d1均取13。 螺纹顶部为 P/8

图2是本发明实施例中梯形螺纹径向段齿顶与齿底上点到螺纹轴线的距离变化规律示意图;图3是本实用新型实施例中螺栓外螺纹端面轮廓、螺母内螺纹端面轮廓、螺栓网格分界线和螺母网格分界线的示意图。

步骤2，如图2所示，在本实施例中，在梯形螺纹的径向截面中，齿顶点和下点到螺纹轴线的距离R和R分别不变，分别为16和13 π;在 4~2π 范围内以 r 为半径画一条圆弧;在 7π/8~9π/8 范围内绘制半径为 R 的圆弧;在 π/4~7π/8 和 9π/8~7π/4 分别取 15 个特征角，形成 16 个特征点（前两个点和后两个点已经在上述两条弧线上），每个特征点对应的半径长度按照从小到大的差值数排列，第一项和最后一项分别为 r 和 R， 如图 3 所示，通过 CATIA 绘图软件以端面中心为圆心，画一个圆，然后在两条圆弧之间画出 28 个具有相应半径的轮廓特征点，依次将这些特征点和圆弧连接起来，绘制出螺栓外螺纹的端面轮廓， 并以同样的方式，画出螺母内螺纹的端面轮廓（螺栓外螺纹的端面轮廓与螺母内螺纹的端面轮廓基本重合），然后画出螺栓网格的分界线和螺母网格的分界线;

为了减少不规则螺纹轮廓对螺栓内侧与螺母外网格节点重合的影响，螺栓网格分界线的半径取螺栓外轮廓的最小半径减去理想单元的最小径向尺寸，螺母网格分界线的半径为螺母内轮廓的最大半径加上一个理想元件的最小径向尺寸（要求合理控制螺栓外螺纹最外层啮合和螺母内螺纹最内层啮合的最大尺寸和最小尺寸，使两种尺寸的关系不会太大）;

步骤3，以螺纹齿顶为最小局部特征，根据最小局部特征确定网格的轴向尺寸L和单个节距内网格的层数N，根据层数N与周向网格节点的重合关系确定螺栓外螺纹轮廓上的节点数N;

如图1所示，在本实施例中，齿顶的轴向距离为P/8，螺纹有限元模型的最小特征处至少应划分两个网格，以清楚地描述最小特征;同时，考虑到模型网格数量的增加会降低计算效率，本实施例仅使用两个网格来描述模型的最小特性，即模型网格的轴向尺寸l为P/16。根据实际工程的需要，可以适当调整网格的轴向尺寸l，如网格在最小特征表达式为N时，则单节距应划分为8N层网格，但同时应适当增加螺纹啮合面上的节点数;

在本实施例中，在每个螺距中，将模型按格栅的轴向尺寸划分为16层，其中，i+1层是通过沿螺栓中心轴线旋转π/8后沿轴线平移格栅轴向尺寸l（即P/16（15，由i层（1≤i≤15）得到的， 并且螺纹网格面上的节点数必须是 16 的倍数，以确保相邻层网格的节点重合;考虑到在精确建模的前提下应保证计算效率，本实施例中将螺纹网格面上的节点数n设置为64;

图4是本发明实施例中螺栓网格分界线外的椭圆环面节点径向连接形成的64面均衡示意图。

步骤4，如图4所示，在本实施例中，通过CATIA绘图软件对平面图增加轴向尺寸l（即P/16），将平面图100导入到有限元软件中，将螺栓网格分界线外的椭圆环面形成的64个面由通过快速编辑功能径向连接的节点均匀划分， 以便获得 grid 实体;

图5为本实用新型实施例中螺栓与螺母的啮合面上的平面四边形网格示意图;

步骤5，如图5所示，在本实施例中，在有限元软件中，将网格实体的端面通过功能根据节点自动划分为二维平面四边形网格200;

图6是本发明实施例中基于图5的平面四边形网格生成的六面体网格层的示意图;

步骤六，如图6所示，在本实施例中，在有限元软件中，通过实体功能，将二维平面四边形网格轴向拉伸一个轴向尺寸l（即P/16），在端面上生成一层六面体网格300;

图7是本发明实施例中图6中螺栓分界线外的第一层网格生成的第二层网格的示意图。

步骤七，如图7所示，在本实施例中，在有限元软件中，首先通过一个函数将步骤6中描述的六面体网格中螺栓网格分界线外的六面体网格复制出来，并轴向平移轴向尺寸l（即P/16），然后通过该函数，以螺栓中心轴线为轴线，沿螺纹变化方向旋转再现的六面体网格通过π/8（一个网格层错误的角度），得到第二层六面体网格400;

图8是本实用新型实施例中相邻的两层六面体网格的示意图，其中a是相邻的两层六面体网格的最外表面且存在一个台阶，b是相邻的两层六面体网格的上表面替换了不连续节点后消除的台阶。

步骤 8，在有限元软件中，如图 8 所示，通过一个功能替换螺纹网格面上使相邻六面体网格面不连续的节点，恢复螺纹网格面的几何特性，并确保外螺纹和内螺纹网格面处的网格节点对齐;

图9是本实用新型实施例中螺栓外螺纹在一螺距上的六面体网格示意图，图10是本发明实施例中螺母内螺纹在一螺距上的六面体网格示意图。

步骤9，在有限元软件中，如图9和图10所示，重复步骤7至8，直到分别生成一个螺距内所有16层的螺栓外螺纹六面体网格500和一个螺距内所有16层的螺母内螺纹六面体网格600;

图11是本实用新型实施例中生成的螺纹编号为8的螺栓螺纹部分的六面体网格模型和螺纹编号为6的螺母六面体网格模型的示意图。

步骤10、在有限元软件中，如图11所示，根据螺纹数为8，螺纹数为6，利用软件功能，将步骤7到步骤9的单螺距中的六面体网格复制，通过轴向平移得到完整螺纹网格划分区域的六面体网格， 沿轴向生成螺纹数为 8 的螺栓有限元模型的螺纹部分和螺纹数为 6 的螺母有限元模型 700;

步骤 11、在有限元软件中，创建新的螺栓杆网格平面和螺母网格平面，根据螺栓杆网格和螺母网格的网格节点直接拉伸网格平面，然后复制、平移，得到螺栓杆六面体网格和螺母六面体网格;

步骤十二，根据螺纹圆周方向的网格数和网格的最小尺寸与网格最大尺寸之差，确定过渡层的数量，在本实施例中，螺纹部分的网格与光杆的网格之间设置有4层过渡层;

图12是本实用新型实施例中螺栓轻杆过渡层布置的示意图，其中a是螺栓最外环的六面体网格被轴向复制的4层，每层中小于该层所选网格尺寸的六面体网格全部删除;b是用六面体网格补充该层的删除部分替换为与该层的选定层相同的网格大小，然后替换相邻层六面体网格外表面上的不连续节点，从而消除该步骤。

步骤 13，如图 12 所示，将步骤 6 中绘制的螺栓最外环的六面体网格轴向复制 4 层，每层选择一个六面体网格，使每层中选择的六面体网格尺寸均匀减小，删除每层中所有小于该层所选网格尺寸的六面体网格， 用与该层选中的网格大小相同的六面体网格补充该层的删除部分，然后替换网格过渡层外表面上使相邻两层六面体网格表面不连续的节点;

图13是本发明实施例中生成的完整螺栓六面体网格模型的示意图，图14是本发明实施例中生成的完整螺栓螺母网格六面体网格模型的示意图。

步骤十四，如图 13 和图 14 所示，从而得到完整的螺栓六面体网格模型 800 和完整的螺栓螺母啮合六面体网格模型 900。

实施例的有益效果和效果

这用于

模拟本发明涉及的螺纹配合面几何特性的六面体有限元网格划分方法，首先根据螺纹表面与螺纹轴线的距离变化规律确定单层螺纹的横截面轮廓线，并确定螺纹最小特征的轴向有限元网格尺寸;然后，根据单节距中轴向划分的网格层数与相邻层之间的旋转角度之间的关系确定圆周有限元网格的数量，通过拉伸螺栓螺纹端面的四边形网格形成单层六面体网格，通过复制得到单节距螺栓的六面体网格模型， 旋转并替换为 Nodes。最后，根据外螺纹和内螺纹齿数，复制并平移单节距网格，得到完整螺栓螺纹零件的六面体网格模型。因此，本发明的六面体有限元网格划分方法不需要建立坚实的外螺纹和内螺纹三维模型，不需要大量的节点坐标计算，不仅可以提高螺纹网格划分的质量，而且可以提高模拟计算的准确性和效率，可广泛应用于各类螺栓螺母的螺纹的六面体网格划分。

以上实施例是本发明的优选情况，不用于限制本发明的保护范围。