喬順成，吳建軍，郭紹唱，高尚德

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

基于MSC.Patran平臺(tái)實(shí)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(jì)，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(jì)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(jìn)行計(jì)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(shí)際應(yīng)用的結(jié)果驗(yàn)證分析系統(tǒng)準(zhǔn)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(yàn)公式來進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估的方法已經(jīng)不能滿足要求，需要利用有限元直接計(jì)算的手段來評(píng)估工裝的可靠性。而在有限元分析中50%～55%的時(shí)間用于模型的建立和數(shù)據(jù)輸入，35%～40%的時(shí)間用于計(jì)算結(jié)果的分析與整理，分析計(jì)算只用10%～15%的時(shí)間[1]。在螺栓緊固件的研發(fā)實(shí)際中，經(jīng)常要對(duì)多個(gè)相似方案進(jìn)行比較，以篩選出最合理的方案，但當(dāng)前有限元分析軟件系統(tǒng)都是用“軟試錯(cuò)”代替“硬試錯(cuò)”，存在前后處理過程復(fù)雜、繁瑣、易出錯(cuò)、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、對(duì)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(fèi)大量的時(shí)間在各個(gè)方案的前后處理上且增加出錯(cuò)機(jī)率。對(duì)于有螺栓連接的機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析，如何較好地模擬螺栓受力情況達(dá)到在有限元分析中的準(zhǔn)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(cuò)”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(jì)算中廣泛采用的MSC. Patran/Nastran軟件，針對(duì)螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，利用PCL（Patran Command Language）語言對(duì)該結(jié)構(gòu)的有限元分析過程進(jìn)行全參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，并開發(fā)出友好的人機(jī)交互界面，設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果，簡(jiǎn)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(gè)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(shí)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(jì)算和分析。因此，對(duì)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(jì)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(diǎn)坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)參數(shù)[2]。

前兩種定義方式因?yàn)閹缀文Ｐ涂刂扑璧膮?shù)數(shù)目太多，且參數(shù)之間缺乏適當(dāng)?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(jì)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(gè)參數(shù)，分別為螺栓總體長(zhǎng)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(jìn)行計(jì)算，同時(shí)網(wǎng)格形狀和大小對(duì)計(jì)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(jì)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(duì)象，充分考慮到資源能力和它對(duì)分析精度的影響。

本文采用六面體實(shí)體單元[5，6]對(duì)螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于網(wǎng)格大小和網(wǎng)格疏密對(duì)計(jì)算精度的影響，在許多文獻(xiàn)中均有研究，本文著重從網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)計(jì)算精度的影響進(jìn)行分析。

在有限元計(jì)算時(shí)，利用二次實(shí)體單元比利用一次實(shí)體單元計(jì)算準(zhǔn)確性高是公認(rèn)事實(shí)，然而在螺栓的接觸計(jì)算中，采用二次實(shí)體單元計(jì)算出的結(jié)果的準(zhǔn)確性反而不如一次實(shí)體單元。這是因?yàn)樵贛SC. 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(diǎn)之間插入剛度極大的桿單元。罰單元有效限制了接觸點(diǎn)之間的相對(duì)位移，然而實(shí)現(xiàn)這一功能的同時(shí)，罰單元也帶來了一個(gè)副作用即強(qiáng)制接觸點(diǎn)之間具有相同的接觸力[8]。

對(duì)于具有角節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)兩種類型節(jié)點(diǎn)的二次實(shí)體單元，如果角節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)發(fā)生接觸，罰單元法就會(huì)強(qiáng)制這兩種不同節(jié)點(diǎn)載荷一致，但是這兩種節(jié)點(diǎn)所受載荷在接觸前并不相等。這就造成了這種強(qiáng)制約束在二次實(shí)體單元的罰單元法接觸計(jì)算中不符合實(shí)際情況，使計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。因此本文中的網(wǎng)格選擇一次實(shí)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(duì)不同的設(shè)計(jì)模型有不同的方向和大小，其參數(shù)化很容易實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述。本文中邊界條件參數(shù)化研究的重點(diǎn)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(qiáng)度，增強(qiáng)連接的緊密性和剛性。為有效模擬螺栓預(yù)緊力對(duì)螺栓連接的影響，本系統(tǒng)把螺栓預(yù)緊力作為螺栓強(qiáng)度分析的重要參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，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(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行施加。

2 參數(shù)化有限元實(shí)現(xiàn)方法

本文通過八個(gè)模塊的開發(fā)來實(shí)現(xiàn)螺栓連接結(jié)構(gòu)的有限元全參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，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(jì)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(shí)現(xiàn)流程圖

軟件集成是指將完成某項(xiàng)工作的一組相關(guān)的應(yīng)用程序組織起來在一個(gè)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(jìn)行工作。集成軟件從宏觀上來說分為界面和數(shù)據(jù)兩個(gè)部分，界面是基于Windows系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(kuò)充，對(duì)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性。界面集成實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的自動(dòng)控制。用戶界面中實(shí)現(xiàn)對(duì)所有被集成的軟件的自動(dòng)執(zhí)行，使用戶可在最短的時(shí)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(fèi)的人力物力。

作者認(rèn)為可利用MSC.PATRAN的進(jìn)程機(jī)制進(jìn)行集成。在界面集成時(shí)，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(duì).ses文件進(jìn)行封裝的PCL中類的方法獲得被控程序的界面對(duì)象，然后利用Windows的進(jìn)程機(jī)制，在控制程序中發(fā)送消息給被控程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口和共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)集成方式，可實(shí)現(xiàn)不同類型的軟件在同一運(yùn)行環(huán)境下彼此之間進(jìn)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)界面輸入數(shù)據(jù)對(duì)程序的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)。

（2）計(jì)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(jìn)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(duì)使用效益和集成的需求。而無需再像以前那樣當(dāng)一個(gè)模型要進(jìn)行不同的分析時(shí)必須針對(duì)不同的分析軟件的特點(diǎn)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(chǔ)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(jìn)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(gè)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(gè)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(jì)算機(jī)的CPU、提高計(jì)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?yàn)椋?/p>

3 實(shí)例應(yīng)用

本文使用該系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)機(jī)翼的吊掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，機(jī)翼吊掛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)接頭有12個(gè)M4的螺栓，依靠這四個(gè)接頭上的螺栓將約重45000N、重心為X=20000mm、Y=－10000mm Z=2500mm的機(jī)翼吊起，且不能發(fā)生塑性變形。點(diǎn)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(duì)話框，設(shè)定參數(shù)后，生成螺栓的有限元模型。

圖6 機(jī)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(duì)話框

圖9 從螺帽方向顯示對(duì)比試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

圖10 從螺母方向顯示對(duì)比試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

提交計(jì)算后，結(jié)果如圖9、10所示。計(jì)算結(jié)果顯示的是基于MISS屈服準(zhǔn)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(jī)翼接觸的位置，螺栓桿受力均勻，約為467MPa，小于螺栓的屈服強(qiáng)度635MPa，且有一定裕度，滿足在所要求安全系數(shù)下的強(qiáng)度要求。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果相符，驗(yàn)證了本文所運(yùn)用的參數(shù)化有限元技術(shù)有效，強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果可靠。

4 總結(jié)

本文重點(diǎn)研究了以MSC.Patran為平臺(tái)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(duì).ses文件進(jìn)行封裝的PCL中類的方法獲得被控程序的界面對(duì)象，然后利用Windows的進(jìn)程機(jī)制，在控制程序中發(fā)送消息給被控程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控程序的界面控制。同時(shí)利用基于標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)各程序在MSC.Patran運(yùn)行環(huán)境下彼此之間進(jìn)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(bǔ)充的方式與技術(shù)。實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果表明本文開發(fā)的系統(tǒng)原理正確，結(jié)果可靠。

[1]何新黨，劉永善，高宗戰(zhàn)，等.基于PCL的導(dǎo)彈吊掛強(qiáng)度分析的參數(shù)化方法[J].航空計(jì)算技術(shù)，2011，41（2）：67-71.

[2]方劍輝，王占軍.基于有限元仿真的鋼管壓力矯直方案設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014，49（2）：65-68.

[3]呂震宙，宋述芳，李洪雙，等.結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)可靠性及可靠性靈敏度分析[M].北京：科學(xué)出版社，2009．

[4]劉紅梅，李永堂，齊會(huì)萍，等.螺紋冷滾壓參數(shù)化造型與有限元分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（2）：78-81.

[5]Msc.Patran User's Manual[K]．MSC Corporation，1998.

[6]MSC.Software Corporation，MSC.Patran（r1）2001 PCL Reference Manual[M].Los Angeles：Macneal Schwendler Corporation，2011.

[7]高尚德，吳建軍，謝安生.基于螺栓連接的高載荷吊掛結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元分析[J].工具技術(shù)，2013，47（2）：41-44.

[8]陳 軍，等.八節(jié)點(diǎn)等參元滑動(dòng)接觸算法的改進(jìn)[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2005，22（4）：527-529.

[9]李雪萍，孫正紅，丁秋林．面向?qū)ο蟮能浖森h(huán)境開發(fā)實(shí)踐[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，1995，15（6）：1-3.

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(jí)高工，從事工裝設(shè)計(jì)與制造專業(yè)技術(shù)研究。E-mail：guoshaochang@qq.com