螺栓接觸分析中前處理技術(shù)的研究與開發(fā)

米小珍，張漢冰，王楓

（大連交通大學(xué)現(xiàn)代軌道交通研究院，遼寧大連 116028）

0 引言

螺栓聯(lián)接廣泛地應(yīng)用于動(dòng)車組結(jié)構(gòu)中，其設(shè)計(jì)的可靠性直接影響著動(dòng)車組的運(yùn)行安全［1］。列車在高速運(yùn)行過程中，軌道和輪軌間的相互作用會(huì)導(dǎo)致車體產(chǎn)生各階模態(tài)的振動(dòng)，列車下由螺栓懸掛的風(fēng)缸、廢排單元、電源箱、緊急車鉤、制動(dòng)控制塊、雙輔變流器等諸多設(shè)備自身產(chǎn)生的振動(dòng)容易與車體產(chǎn)生諧振。這不但影響旅客乘坐的舒適性，甚至?xí)管圀w、車下吊掛設(shè)備或連接件斷裂［2］。因此，在設(shè)計(jì)制造過程中，對(duì)螺栓的應(yīng)力分析與校核是至關(guān)重要的。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)螺栓的仿真分析主要采用有限元法［3-4］。由于螺栓與緊固件之間的表面互相碰觸并共切是一種接觸狀態(tài)，因而在對(duì)螺栓應(yīng)力分析的過程中普遍采用接觸分析的方法。目前螺栓接觸的研究主要集中在螺栓的建模方法上［5－8］，而對(duì)前處理技術(shù)缺乏深入分析。前處理是有限元分析中不可缺少的一部分，其繁雜的操作通常占用整個(gè)分析中70%的時(shí)間，因此，有必要對(duì)螺栓前處理的操作流程進(jìn)行研究。本文基于Tcl 腳本語(yǔ)言，利用HyperMesh 自身的快速編輯面板，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套螺栓接觸前處理分析工具，旨在減少重復(fù)操作，簡(jiǎn)化操作步驟，提高工作效率。

1 螺栓應(yīng)力接觸分析存在的問題

有限元分析過程包括三部分，即前處理、計(jì)算求解、后處理。前處理過程一直是占用時(shí)間最多的環(huán)節(jié)，包括創(chuàng)建模型、幾何清理、劃分網(wǎng)格、添加材料、工況。這些操作大多數(shù)情況是手動(dòng)的、重復(fù)性的。特別是由于螺栓接觸問題是一種高度非線性問題，需要較多的計(jì)算機(jī)資源，對(duì)前處理過程中的網(wǎng)格劃分也提出了更高的要求。由于存在圓孔，如直接劃分網(wǎng)格，在螺栓孔處的網(wǎng)格就不能均勻分布，如圖1（a）所示。在HyperMesh 中，一般采取在螺栓孔處劃分一道Washer 線，與螺栓孔形成一道圓環(huán)，這樣劃分出的網(wǎng)格規(guī)則排布，求解成功率高。但由于多出了一道圓環(huán)，網(wǎng)格的排布與普通網(wǎng)格的劃分有很大不同。這一過程操作更加復(fù)雜繁瑣，一般需要選中劃分網(wǎng)格的面，然后點(diǎn)擊Mesh，鼠標(biāo)點(diǎn)擊調(diào)整網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目，且需要反復(fù)調(diào)試，才能劃出理想網(wǎng)格。

圖1 不同方法劃分螺栓孔網(wǎng)格的對(duì)比

常規(guī)Washer 網(wǎng)格劃分需要多次操作，每個(gè)螺栓孔需要手動(dòng)操作多次，不同的螺栓孔要求各不相同，需要操作人員有豐富的經(jīng)驗(yàn)，否則網(wǎng)格質(zhì)量得不到保證，后期計(jì)算更容易出錯(cuò)。顯然，這種傳統(tǒng)方法在進(jìn)行實(shí)際操作中既繁瑣又容易使人厭倦。如果能實(shí)現(xiàn)Washer 網(wǎng)格劃分參數(shù)化、便捷化，就會(huì)大大簡(jiǎn)化操作步驟，提高工作效率，節(jié)省人力物力。

2 螺栓接觸前處理分析工具的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)螺栓接觸前處理存在的問題，結(jié)合規(guī)范CAE 操作流程，對(duì)螺栓前處理分析工具進(jìn)行開發(fā)，即應(yīng)用Tcl 語(yǔ)言對(duì)HyperMesh 快速編輯面板進(jìn)行二次開發(fā)。將此工具嵌套到仿真分析流程模板上，不但能夠提高后處理求解成功率，而且可以規(guī)范操作流程。

螺栓接觸分析前處理工具的設(shè)計(jì)與開發(fā)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：1）對(duì)整個(gè)螺栓接觸分析前處理階段實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，保證正確性；2）對(duì)于其他板件接觸分析有一定的適應(yīng)性；3）界面盡可能友好，操作盡可能簡(jiǎn)單。

2.1 螺栓接觸前處理分析工具的設(shè)計(jì)

CAE 螺栓前處理分析流程設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 螺栓前處理分析流程設(shè)計(jì)

在對(duì)螺栓板件進(jìn)行前處理時(shí)，需要調(diào)用HyperMesh中的快速編輯面板（如圖3）。在快速編輯面板下，可以將面分割，增加螺栓孔的墊圈，更改共享邊、自由邊的類別，創(chuàng)建或刪除面和點(diǎn)，補(bǔ)充缺失部分等。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變后，可以使網(wǎng)格重新劃分。

圖3 快速編輯面板

利用快速編輯面板的Washer Split 的工具將螺栓孔處附近網(wǎng)格加密，使其與整體網(wǎng)格更好地適應(yīng)，提高了網(wǎng)格的質(zhì)量，對(duì)提高接觸問題的求解成功率有一定幫助。本工具借助于Tcl 語(yǔ)言將這一工具和Command.cmf 文件記錄的命令流進(jìn)行二次開發(fā)，并利用Process Studio 建立流程樹引導(dǎo)規(guī)范流程［9］。

2.2 螺栓接觸前處理分析工具的實(shí)現(xiàn)

為了規(guī)范流程同時(shí)引導(dǎo)仿真分析過程，利用Process Studio 創(chuàng)建螺栓接觸分析前處理流程樹Tree，Tree 的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相應(yīng)頁(yè)面與之對(duì)應(yīng)，如對(duì)螺栓孔添加Washer線與之相對(duì)應(yīng)的用戶交互界面如圖5 所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有具體的功能，都有相應(yīng)的用戶交互界面。

整個(gè)螺栓接觸前處理分析模板包含導(dǎo)入模型、幾何清理、抽取中線、建立中面、劃分網(wǎng)格等共11 個(gè)模塊。如圖4 所示。

本文以其中Washer 節(jié)點(diǎn)為例，簡(jiǎn)述Tcl 語(yǔ)言對(duì)流程樹的開發(fā)。創(chuàng)建Washer 節(jié)點(diǎn)后，Process Studio 會(huì)生成一個(gè)Tcl 文件。編輯該文件，加入如下代碼：

圖4 仿真分析流程模板

圖5 Washer 網(wǎng)格劃分面板

定制的Washer 網(wǎng)格劃分面板如圖5 所示，通過該面板可以直接點(diǎn)選螺栓孔的兩條線，輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。

本文以CRH6 型車某車下吊箱部分結(jié)構(gòu)為例（如圖6所示）來驗(yàn)證所開發(fā)工具的有效性。按照前處理流程，在對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行圓角等幾何清理后（如圖7），進(jìn)行螺栓孔網(wǎng)格的劃分。

圖6 導(dǎo)入模型

圖7 幾何清理

根據(jù)前處理網(wǎng)格劃分工具（Washer）的流程，首先調(diào)用快速幾何編輯面板（quick edit pannel）（如圖8 所示），添加Washer Split 分割線，在Offset Value 中輸入偏移值，可以獲得螺栓孔外一同心圓環(huán)（如圖9）。

圖8 快速編輯面板

圖9 螺栓孔加Washer 線

為了實(shí)現(xiàn)Washer 網(wǎng)格的自動(dòng)劃分，點(diǎn)擊流程樹上Washer 節(jié)點(diǎn)，此時(shí)進(jìn)入Washer 網(wǎng)格劃分面板（如圖5），先點(diǎn)擊select inner line 的按鈕，選定內(nèi)側(cè)線；然后點(diǎn)擊select outside line，選定外側(cè)線；最后在MeshNo.對(duì)話框輸入需要?jiǎng)澐值墓?jié)點(diǎn)數(shù)目，最后點(diǎn)擊Apply，即可自動(dòng)生成規(guī)則的網(wǎng)格（如圖10 所示）。

單純使用HyperMesh 軟件提供的方法進(jìn)行螺栓孔處網(wǎng)格劃分需要反復(fù)切換面板，多次調(diào)試才能得到理想結(jié)果。本例中對(duì)一個(gè)螺栓孔的網(wǎng)格劃分就需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)20～30 次左右，切換界面多達(dá)17 次，操作復(fù)雜、繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；而使用所開發(fā)的工具則可以高效有序地完成這一過程，只需在定制的washer 面板上點(diǎn)擊5 次按鈕，簡(jiǎn)單切換6 次頁(yè)面，輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)量即可立刻得到理想結(jié)果，操作便捷，簡(jiǎn)單，一目了然。

針對(duì)圖6 所示的模型，使用不同方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其操作過程的對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

圖10 Washer 自動(dòng)生成的網(wǎng)格

表1 不同前處理方法數(shù)據(jù)對(duì)比

通過以上對(duì)比可以看出，使用所開發(fā)的工具，大大減少了仿真人員對(duì)模型前處理的時(shí)間。且劃分網(wǎng)格質(zhì)量高，對(duì)后續(xù)接觸計(jì)算有良好的保障。

3 結(jié)論

本文使用Tcl 語(yǔ)言，借助HyperMesh 快速幾何編輯面板，通過界面集成和相關(guān)功能代碼的編寫，開發(fā)出螺栓接觸分析前處理工具，嵌套到仿真分析流程模板上，不僅有利于分析流程的規(guī)范化，而且大幅度提高工作效率，同時(shí)減少人工參與，降低出錯(cuò)概率，使螺栓接觸仿真的操作過程更加規(guī)范、便捷和高效。

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