教程:柔性螺栓连接优化

使用刚性和柔性螺栓连接运行和对比优化结果。

在本课中,您将学习:
  • 了解 Huth-Schwarmann 公式,预估螺栓连接刚度
  • 使用刚性螺栓连接运行拓扑优化
  • 在“属性编辑器”中启用连接刚度
  • 使用柔性螺栓连接运行拓扑优化


简介:柔性螺栓连接优化

Inspire 中,可以使用“连接刚度”属性来创建柔性螺栓连接,这可以更好地接近接地螺栓连接,接地铰接和圆柱形固定约束中的轴向刚度和剪切刚度。螺栓连接柔性和铰接柔性通常都会对结构承受和转移载荷的方式产生显著影响。

预估螺栓连接刚度的方法有很多。 Inspire 采用 Huth-Schwarmann 方法,但允许您指定一个独立计算的刚度值。

下图所示为一个理想的无限刚性连接,传递至中心铆钉的载荷量为 0%,每个外侧铆钉各承受 50% 的载荷。


如果是无限柔性连接,则载荷会在铆钉之间均匀传递。


对于真正的螺栓连接,其所承受的实际载荷将介于这两个极限值之间。例如,中心铆钉承受 30% 的载荷,每个外侧铆钉各承受 35% 的载荷:


针对连至板块以及板块之间的连接(常见于航空工业),常用于预估螺栓连接刚度的方式是使用 Huth-Schwarmann 方法。该刚度值可使用以下公式计算得出:


类型 a b
螺栓连接金属 2/3 3.0
铆钉连接金属 2/5 2.2
螺栓连接石墨/环氧树脂 2/3 4.2
下列参数也适用:
配置:
d = 孔径
t = 板块厚度
材料:
E = 杨氏模量
ν = 泊松比
指数:
1 = 板块 1(双剪的中心铆钉)
2 = 板块 2(双剪的外部铆钉)
f = 螺栓连接

除使用 Huth-Schwarmann 刚度外,还可以使用用户定义的刚度。当使用板块近似法不能定义零件时,这便是一种更常用的方法。例如,可以利用该方法来设计与变速箱壳体相连的铝铸汽车悬架系统。如果不想对整个系统进行建模,而只想对悬架建模,则可求出连接刚度的近似值并利用该值得出更好的结果。

检查连接刚度

  1. 按 F7 打开“演示浏览器”。
  2. 双击 rigid.stmod 文件,将其加载到模型视窗中。
    这是平动电机支架可用设计空间的一个曲面模型。注意:所有零件的指定厚度均为 2 mm,设计空间有一个对称平面,载荷已施加,并已使用接地螺栓(带螺母)对零件进行约束。


  3. 确保“单位系统选择器”中的显示单位已设置为 MPA (mm t N s)
  4. F3 打开“属性编辑器”。
  5. 选择其中一个接地螺栓(带螺母)并检验“属性编辑器”中的“连接刚度”字段。
    “类型”设置为“默认”(刚性),但也可使用 Huth-Schwarmann 和“用户定义”。


使用刚性螺栓连接运行优化

  1. 点击“结构仿真”功能区“优化”图标上的运行优化


  2. 设置“运行优化”窗口中的选项,如下所示:


  3. 选择拓扑作为运行类型。
  4. 选择最大化刚度作为“目标”。
  5. 质量目标设置为 30%
  6. 最小厚度约束设置为 3 mm
  7. 点击运行执行优化。
  8. 运行结束后,双击运行名称查看结果。
  9. 在“形状浏览器”中检验运行结果。
    注意:连接至距承载轴毂最远的螺栓的材料最少。这是由于离载荷最近的螺栓以刚性方式接地,从而阻止力传递至最远的螺栓。


分析生成的形状

  1. 点击“形状浏览器”上的分析按钮。
  2. 运行结束后,双击运行名称查看结果。


  3. 如果检验分析结果,则可清楚地看到,与远处螺栓相接的细长连杆所受的载荷相对较小。
  4. 双击右键退出“分析浏览器”。

更改连接刚度

  1. 打开“演示浏览器”中的 rigid_run.stmod 文件,或紧接上一步骤继续对模型进行处理。
  2. 按下 Ctrl 键,并在模型视窗或“模型浏览器”中选中四个接地螺栓(带螺母)。


  3. 在“属性编辑器”中,将连接刚度类型更改为 Huth-Schwarmann
    剪切刚度根据零件属性计算得出。


使用柔性螺栓连接重新运行优化

  1. 点击“结构仿真”功能区“优化”图标上的运行优化


  2. 使用与此前相同的设置重新运行优化,然后加载结果。
  3. 注意:连接至远处螺栓的多余材料和更多载荷正一起转移到这些螺栓上。


  4. 点击“形状浏览器”上的分析按钮,运行完成后,请加载结果。
    新增了 Huth-Schwarmann 激活新材料路径时的通知,以说明连接中的载荷。


注: 优化和分析模型中使用的连接刚度会对所获得的结果产生重大影响。针对柔性螺栓连接使用 Huth-Schwarmann 方法或用户定义的刚度可以显著改善 Inspire 生成的结果,但仍应仔细预估刚度值。