基于PCL語言的螺栓連接結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)研究

喬順成，吳建軍，郭紹唱，高尚德

（1.中航飛機股份有限公司 西安飛機分公司，陜西 西安 710089；2.西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，陜西 西安 710072）

基于PCL語言的螺栓連接結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)研究

喬順成1，吳建軍2，郭紹唱2，高尚德2

（1.中航飛機股份有限公司 西安飛機分公司，陜西 西安 710089；2.西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，陜西 西安 710072）

基于MSC.Patran平臺實現(xiàn)一種快速、合理、可靠性高的螺栓連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計，利用PCL語言開發(fā)出螺栓連接結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元分析系統(tǒng)，使得設(shè)計人員無需掌握復(fù)雜的有限元理論和有限元軟件的操作過程，只需輸入所關(guān)心的參數(shù)，便可提交有限元軟件進行計算，并保證集成程序各模塊間數(shù)據(jù)的無間隔性共享，根據(jù)實際應(yīng)用的結(jié)果驗證分析系統(tǒng)準確可靠。

螺栓連接結(jié)構(gòu)，有限元分析；PCL；二次開發(fā)

隨著螺栓連接件的工況條件越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的依據(jù)經(jīng)驗公式來進行強度評估的方法已經(jīng)不能滿足要求，需要利用有限元直接計算的手段來評估工裝的可靠性。而在有限元分析中50%～55%的時間用于模型的建立和數(shù)據(jù)輸入，35%～40%的時間用于計算結(jié)果的分析與整理，分析計算只用10%～15%的時間[1]。在螺栓緊固件的研發(fā)實際中，經(jīng)常要對多個相似方案進行比較，以篩選出最合理的方案，但當前有限元分析軟件系統(tǒng)都是用“軟試錯”代替“硬試錯”，存在前后處理過程復(fù)雜、繁瑣、易出錯、費時、費力、對軟件使用者要求高等問題，使一些有限元分析軟件難以推廣應(yīng)用[2]。如果按照現(xiàn)有有限元分析軟件所規(guī)定的步驟將花費大量的時間在各個方案的前后處理上且增加出錯機率。對于有螺栓連接的機械結(jié)構(gòu)有限元分析，如何較好地模擬螺栓受力情況達到在有限元分析中的準確加載并得到正確的分析結(jié)果，有一定難度。

為克服“軟試錯”存在的上述缺陷，本文中的程序開發(fā)基于在航空結(jié)構(gòu)計算中廣泛采用的MSC. Patran/Nastran軟件，針對螺栓的強度設(shè)計，利用PCL（Patran Command Language）語言對該結(jié)構(gòu)的有限元分析過程進行全參數(shù)化驅(qū)動，并開發(fā)出友好的人機交互界面，設(shè)計人員無需掌握復(fù)雜的有限元理論和有限元軟件的操作過程，只需輸入所關(guān)心的參數(shù)，便可得出所要的計算結(jié)果，簡便、高效。

1 參數(shù)化有限元技術(shù)

1.1 螺栓連接結(jié)構(gòu)參數(shù)化

螺栓幾何模型參數(shù)主要是指結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)總體尺寸和構(gòu)件的幾何尺寸等。螺栓結(jié)構(gòu)有限元模型中幾何參數(shù)的選取，并不是把螺栓結(jié)構(gòu)的每一個尺寸全部都參數(shù)化。原因在于，在有限元分析中幾何模型實際上是結(jié)構(gòu)物理特征的反映，它必須有利于有限元的計算和分析。因此，對于整體分析不重要的螺紋結(jié)構(gòu)參數(shù)可以忽略。

幾何模型設(shè)計參數(shù)一般有以下幾種定義方式：

（1）直接以網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點坐標作為設(shè)計參數(shù)。

（2）通過輔助的大單元來組織網(wǎng)絡(luò)，以大單元的控制點作為形狀控制參數(shù)。

（3）以幾何模型的尺寸變量作為設(shè)計參數(shù)[2]。

前兩種定義方式因為幾何模型控制所需的參數(shù)數(shù)目太多，且參數(shù)之間缺乏適當?shù)募s束而不適用。本文采用第三種方式，將幾何模型中的設(shè)計參數(shù)延伸到有限元模型。

如圖1所示，螺栓結(jié)構(gòu)的參數(shù)化過程中共有6個參數(shù)，分別為螺栓總體長度H、螺栓頭高度H1、螺母與螺栓頭距離H2、螺母高度H3、螺栓直徑D1、螺母直徑D2。

1.2 網(wǎng)格控制參數(shù)化

圖1 螺栓結(jié)構(gòu)示意圖

網(wǎng)格劃分是有限元分析中的重要步驟，經(jīng)過網(wǎng)格劃分后的有限元模型才能進行計算，同時網(wǎng)格形狀和大小對計算結(jié)果有很大的影響[3]，規(guī)則的網(wǎng)格劃分有利于提高模擬速率和模擬計算精度[4]。選擇劃分網(wǎng)格的方式和網(wǎng)格密度的控制要結(jié)合分析對象，充分考慮到資源能力和它對分析精度的影響。

本文采用六面體實體單元[5，6]對螺栓結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，對于網(wǎng)格大小和網(wǎng)格疏密對計算精度的影響，在許多文獻中均有研究，本文著重從網(wǎng)格節(jié)點對計算精度的影響進行分析。

在有限元計算時，利用二次實體單元比利用一次實體單元計算準確性高是公認事實，然而在螺栓的接觸計算中，采用二次實體單元計算出的結(jié)果的準確性反而不如一次實體單元。這是因為在MSC. Patran/Nastran的接觸分析中，廣泛采用罰單元法[7]，其效果類似于在兩接觸點之間插入剛度極大的桿單元。罰單元有效限制了接觸點之間的相對位移，然而實現(xiàn)這一功能的同時，罰單元也帶來了一個副作用即強制接觸點之間具有相同的接觸力[8]。

對于具有角節(jié)點和邊節(jié)點兩種類型節(jié)點的二次實體單元，如果角節(jié)點和邊節(jié)點發(fā)生接觸，罰單元法就會強制這兩種不同節(jié)點載荷一致，但是這兩種節(jié)點所受載荷在接觸前并不相等。這就造成了這種強制約束在二次實體單元的罰單元法接觸計算中不符合實際情況，使計算結(jié)果不準確。因此本文中的網(wǎng)格選擇一次實體單元。

1.3 邊界條件參數(shù)化

邊界條件參數(shù)分為約束邊界參數(shù)和載荷邊界參數(shù)，其中約束邊界條件的約束方式一般沒有變化。所以邊界條件的參數(shù)化主要是載荷的參數(shù)化。螺栓結(jié)構(gòu)的載荷參數(shù)化主要是接頭拉力和螺栓預(yù)緊力，接頭拉力對不同的設(shè)計模型有不同的方向和大小，其參數(shù)化很容易實現(xiàn)，在此不再贅述。本文中邊界條件參數(shù)化研究的重點是螺栓預(yù)緊力的參數(shù)化施加。

預(yù)緊可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力和螺栓的疲勞強度，增強連接的緊密性和剛性。為有效模擬螺栓預(yù)緊力對螺栓連接的影響，本系統(tǒng)把螺栓預(yù)緊力作為螺栓強度分析的重要參數(shù)設(shè)計指標，并且提供了溫度法和直接加載法兩種方法，用戶可以選擇其中一種方法來對螺栓預(yù)緊力進行施加。

2 參數(shù)化有限元實現(xiàn)方法

本文通過八個模塊的開發(fā)來實現(xiàn)螺栓連接結(jié)構(gòu)的有限元全參數(shù)化驅(qū)動，包括：幾何參數(shù)設(shè)定模塊，網(wǎng)格參數(shù)設(shè)定模塊，材料參數(shù)設(shè)定模塊，力學(xué)參數(shù)設(shè)定模塊、預(yù)緊力參數(shù)設(shè)定模塊，計算求解模塊，云圖顯示模塊以及剛度矩陣輸出模塊，其開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 參數(shù)化有限元分析實現(xiàn)流程圖

軟件集成是指將完成某項工作的一組相關(guān)的應(yīng)用程序組織起來在一個統(tǒng)一的操作環(huán)境下以綜合一致和整體連貫的形態(tài)來進行工作。集成軟件從宏觀上來說分為界面和數(shù)據(jù)兩個部分，界面是基于Windows系統(tǒng)環(huán)境下運行軟件的共有特性，數(shù)據(jù)則貫穿于應(yīng)用程序的始末，是程序的靈魂，而程序正是用數(shù)據(jù)來處理的。軟件系統(tǒng)的界面集成與數(shù)據(jù)集成的好壞則是衡量自主軟件開發(fā)成功與否的重要標準之一[9]，其集成原理如圖3所示。

圖3 軟件集成原理圖

2.1 界面集成

界面集成[7]是指具有統(tǒng)一的用戶界面及其生成系統(tǒng)，必須具有靈活的組織能力，利于軟件功能和應(yīng)用范圍的擴充，對環(huán)境有較強的適應(yīng)性。界面集成實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計軟件的自動控制。用戶界面中實現(xiàn)對所有被集成的軟件的自動執(zhí)行，使用戶可在最短的時間內(nèi)使集成的軟件的特定功能模塊分離出來為自己所用，或?qū)④浖闹付üδ苣K采用用戶開發(fā)的模塊來替代，減少了重新開發(fā)所浪費的人力物力。

作者認為可利用MSC.PATRAN的進程機制進行集成。在界面集成時，首先在用戶自己開發(fā)的控制軟件中利用PCL（Patran Command Language）提供的應(yīng)用程序接口函數(shù)或利用對.ses文件進行封裝的PCL中類的方法獲得被控程序的界面對象，然后利用Windows的進程機制，在控制程序中發(fā)送消息給被控程序，實現(xiàn)對被控程序的界面控制。

2.2 數(shù)據(jù)集成

本文給出了基于標準數(shù)據(jù)接口和共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)集成方式，可實現(xiàn)不同類型的軟件在同一運行環(huán)境下彼此之間進行程序模塊調(diào)用、參數(shù)傳遞、數(shù)據(jù)共享、功能相互支持與補充的方式與技術(shù)。本系統(tǒng)的接口包括三部分內(nèi)容，即數(shù)據(jù)輸入接口程序（READER. pcl），數(shù)據(jù)提交接口程序（INPUT.pcl）以及數(shù)據(jù)輸出接口程序（WRITE.pcl）。

（1）數(shù)據(jù)輸入接口是指用戶在界面數(shù)據(jù)框輸入數(shù)據(jù)與封裝程序的接口，在本系統(tǒng)中參數(shù)的聲明與傳遞均是通過p3prolog.pcl文件完成，開發(fā)者要在p3prolog.pcl聲明系統(tǒng)所用參數(shù)的類型和變量名，并將其放在系統(tǒng)的工作目錄下才能實現(xiàn)界面輸入數(shù)據(jù)對程序的參數(shù)化驅(qū)動。

（2）計算數(shù)據(jù)提交接口就是將建立好的有限元模型提交給求解器進行求解，本文中采用按“事件分類”的分析解算器選擇功能，分析選擇可根據(jù)不同分析軟件（包含MSC.PATRAN提供的商品化應(yīng)用分析模塊）設(shè)置不同的工作環(huán)境，可滿足用戶對使用效益和集成的需求。而無需再像以前那樣當一個模型要進行不同的分析時必須針對不同的分析軟件的特點重復(fù)建模。而這一部分文件在系統(tǒng)中按照文件規(guī)范來存儲和訪問，本文中采用中性文件的格式，把開發(fā)的分析程序和PATRAN集成起來，用戶通過中性文件選擇與其他第三方分析求解器進行連接，其流程圖如圖4、圖5所示。

圖4 Patran與Ansys的轉(zhuǎn)換流程圖

圖5 Ansys與Patran的轉(zhuǎn)換流程圖

（3）盡管PATRAN給許多商用有限元分析程序提供了接口，可以在PATRAN中直接調(diào)用，但是仍然需要建立自己特定的分析程序和PATRAN接口，以便使用這個優(yōu)秀的前后處理程序。在PATRAN的安裝目錄中，有一些.plb庫文件，其中< analysis_code>指的是分析程序的名稱，例如：NASTRAN，MARC，ANSYS等等。通過PCL，將自己的分析程序載入到PATRAN中去，生成一個自己的分析庫文件。

利用sys_allocate_array函數(shù)為矩陣開辟內(nèi)存空間，為節(jié)省計算機的CPU、提高計算效率，剛度矩陣與質(zhì)量矩陣輸出通過外部可執(zhí)行程序方式集成到MSC.Patran，其具體集成程序為：

3 實例應(yīng)用

本文使用該系統(tǒng)對飛機機翼的吊掛結(jié)構(gòu)進行計算，機翼吊掛結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。

該吊掛結(jié)構(gòu)為雙吊掛四接頭結(jié)構(gòu)，每個接頭有12個M4的螺栓，依靠這四個接頭上的螺栓將約重45000N、重心為X=20000mm、Y=－10000mm Z=2500mm的機翼吊起，且不能發(fā)生塑性變形。點擊圖7中參數(shù)化有限元設(shè)定菜單，彈出如圖8所示的對話框，設(shè)定參數(shù)后，生成螺栓的有限元模型。

圖6 機翼吊掛結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 螺栓連接結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)界面

圖8 參數(shù)設(shè)定對話框

圖9 從螺帽方向顯示對比試驗?zāi)M結(jié)果

圖10 從螺母方向顯示對比試驗?zāi)M結(jié)果

提交計算后，結(jié)果如圖9、10所示。計算結(jié)果顯示的是基于MISS屈服準則的柯西應(yīng)力。

從圖9、10可以得出，螺栓所受最大應(yīng)力為584MPa，出現(xiàn)在螺母與機翼接觸的位置，螺栓桿受力均勻，約為467MPa，小于螺栓的屈服強度635MPa，且有一定裕度，滿足在所要求安全系數(shù)下的強度要求。

本系統(tǒng)設(shè)計校核的螺栓連接結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在西飛工裝所得到了成功應(yīng)用，應(yīng)用情況與圖9、10計算結(jié)果相符，驗證了本文所運用的參數(shù)化有限元技術(shù)有效，強度評估結(jié)果可靠。

4 總結(jié)

本文重點研究了以MSC.Patran為平臺的軟件集成方法，并利用PCL（Patran Command Language）提供的應(yīng)用程序接口函數(shù)或利用對.ses文件進行封裝的PCL中類的方法獲得被控程序的界面對象，然后利用Windows的進程機制，在控制程序中發(fā)送消息給被控程序，實現(xiàn)對被控程序的界面控制。同時利用基于標準數(shù)據(jù)接口和共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)集成方式，開發(fā)了數(shù)據(jù)輸入接口程序（READER.pcl），數(shù)據(jù)提交接口程序（INPUT.pcl）以及數(shù)據(jù)輸出接口程序（WRITE. pcl），實現(xiàn)各程序在MSC.Patran運行環(huán)境下彼此之間進行程序模塊調(diào)用、參數(shù)傳遞、數(shù)據(jù)共享、功能相互支持與補充的方式與技術(shù)。實例驗證結(jié)果表明本文開發(fā)的系統(tǒng)原理正確，結(jié)果可靠。

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Study on a finite element analysis program for bolt connection structurebased on PCL

QIAO Shuncheng1,WU Jianjun2,GUO Shaochang2,GAO Shangde2
（1.Xi'an Aircraft Industry（Group）Company Ltd.,AVIC.,Xi'an 710089,Shaanxi China; 2.School of Mechanical Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,Shaanxi China）

A fast,reasonable and highly reliable bolt connection structure has been designed on the basis of MSC. Patran platform.The finite element analysis program for boltconnection structure has been developed by use of PCL language.Thus in this way,only the critical parameters has been input and submitted to the finite element software to perform the calculation without grasping the theory of finite element and complex operation of finite element software for the designer.The data sharing among program modules have also been ensured in this system. The analysis system has been verified to be accurate and reliable according the result of practical application.

Bolt connection structure;Finite element analysis;Second development；PCL

TG702；V262.4+2

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.034

1672-0121（2016）01-0118-05

2015－07－31；

2015－09－05

喬順成（1964-），男，研級高工，從事工裝設(shè)計與制造專業(yè)技術(shù)研究。E-mail：guoshaochang@qq.com