一种快速消除异质构件残余应力有效方法

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。

说明书

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：

1.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。

附图说明

图1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1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1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：

1、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1所示。

表1异质构件各部件材料属性

最后，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。具体各部件的材料属性值见上列表1所示。

3、网格划分。

主要是对异质构件几何模型进行网格划分，网格密度要兼顾计算量和计算精度的要求， 针对异质构件几何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。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。这样的处理一方面保证 了计算的精度和收敛性，另一方面又保证了单元之间力的顺利传递。划分网格后的异质构件 有限元模型共有63461个单元，101619个节点。

步骤二：对异质构件施加约束及载荷，进行静力结构分析。主要包括：

1、施加约束及载荷。

加速度计是通过螺钉安装在异质构件台体上，则安装螺钉过程中，异质构件台体将会受 到压力，则将螺钉预紧力等效为压力。即对九个螺钉施加的200Mpa的压力。对异质构件底 部面上施加位移约束，使其底部在x、y和z方向被约束。

2、静力结构分析。

结合有限元静力结构分析流程对异质构件进行仿真分析；该静力结构分析是指在对异质 构件施加螺钉预紧力的条件下，给出异质构件的残余应力分布情况和异质构件的变形量。

步骤三：模态分析。对异质构件有限元模型进行模态分析，通过仿真计算得到异质构件 前8阶固有频率，并从中选取合适的频率为振动时效参数。采用完全法计算异质构件的固有 频率，得到异质构件的8阶固有频率如表2所示。

表2模态分析

  阶数   频率   阶数   频率   1   2870.2   5   8413.5   2   3700.6   6   8840.7   3   7848.2   7   10167   4   8112.6   8   11504

对异质构件进行振动时效分析时，为了获得更大的振动量，一般采用共振处理。激振频 率一般选取为固有频率峰值的1/3-2/3所对应的频率。

步骤四：谐响应分析。在振动时效仿真分析过程中，激励幅值是非常重要的参数，一方 面如果激励幅值太小，则不能有效地消除残余应力，另一方面，如果激励幅值太大，则会降 低工件的疲劳寿命或者使得工件损坏。因此，预先估算一下激励幅值是必须的，即通过谐响 应分析来确定激励幅值。

具有残余应力的工件在振动时效过程中，最明显的特点是参数将会发生变化，且随时间 作有规律的变化，故通过施加正弦曲线的激励来均化或降低装配残余应力。正弦激励的表达 式如下：

d(t)＝D·sin2πft

其中：d(t)为时间t下的位移；

      D为位移幅值；

      f为频率；

在此公式中，频率f即通过模态分析得到的激振频率。位移幅值D通过谐响应分析来确 定。结合有限元谐响应分析流程对异质构件进行仿真，通过谐响应分析，对异质构件施加位 移幅值可以得到变形量与频率的关系曲线，又知道在螺钉预紧力作用下，异质构件的变形量， 当两者近似相等时，即此时的位移幅值为激励幅值。

当激励幅值取0.004mm时，图2为谐响应分析下异质构件变形量与频率的关系。从图2 可知，在七阶固有频率10167Hz下，变形量为0.0129mm。由静力结构分析可知，在螺钉预 紧力作用下异质构件的变形量为0.0167mm。两者的变形量近似，故激励幅值近似选取为 0.004mm。根据步骤三可知，当频率为10000Hz时，其峰值0.0087mm近似为固有频率峰值 的2/3，故激振频率选为10KHz。

步骤五：瞬态动力分析（即振动时效分析）。结合有限元瞬态动力分析流程对异质构件 进行仿真分析；该瞬态动力分析采用前面异质构件残余应力的仿真结果作为振动时效数值仿 真的有限元分析模型的初始残余应力，通过施加正弦激励模拟振动时效过程，得到振动时效 后异质构件残余应力的大小及分布。

在给含有残余应力的异质构件有限元模型施加正弦激励时，需要采用APDL语言编写程 序，部分APDL命令如下：

图3为振动时效后异质构件残余应力与时间的变化曲线，从图3中可以看出，振动时效 后，异质构件残余应力明显降低。

本发明建立了消除异质构件残余应力有效方法。利用该方法，可以快速有效的均化和降 低异质构件残余应力，从而使得异质构件能够快速达到稳定。本发明也为振动时效工艺参数 的选择提供了数据参考，为进一步对异质构件进行振动时效仿真优化设计提供依据。