一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法与流程

1.本发明属于铸铝结构在过盈安装过程中的结构强度仿真技术领域，具体涉及一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，用于进行铸铝结构圆柱面在过盈安装管状零件压入过程中的结构强度仿真标定。


背景技术：

2.目前，铸铝件的过盈装配的仿真技术，往往采用静态计算方法，即不考虑过盈装配过程，仅考虑过盈装配后的受力状态。优点是计算速度快、调整过盈载荷十分方便，缺点是不能计算装配过程的载荷及应力变化，以及过盈装配对铸铝结构件本身强度的影响。
3.发明专利cn104992039提出一种圆锥面油压过盈安装过程中压力的计算方法，通过采用增强的拉格朗日法对圆锥面过盈装配的轴向压入力和径向接触压力进行有限元接触计算，其数值是随着实际过盈安装过程中推入量的变化而变化，增强的拉格朗日法是将罚函数法和拉格朗日法相结合，在计算的过程中程序按照罚函数法开始，与纯粹的拉格朗日法类似，不停的更新接触刚度的罚函数，直到计算的穿透值小于允许值为止，这样有助于减少病态，在选择求解器上没有限制，还可以自由控制允许的穿透值，克服运用弹性力学法在一定的假设条件下计算所带来的影响，轴向压入力和径向接触压力的计算运用有限元法比弹性力学法准确可靠，通过简单的理论公式即可将解得的轴向压入力和径向接触压力转化轴向油压和径向油压，为圆锥面油压过盈安装时所需施加轴向油压和径向油压的确定提供一定理论依据。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，采用增强的拉格朗日法和有限滑移相结合的接触面非线性计算方法，经过数值迭代，不停的更新接触刚度的罚函数，有助于减少计算矩阵的病态，提高计算收敛的成功率。本发明不仅可以计算接触面的压力分布和轴向压入载荷，标定计算最大载荷和测试最大载荷，确定接触摩擦系数、材料参数设置、分析类型的综合仿真标定方法。根据结构在过盈安装过程中的应力结果计算安全系数分布，通过仿真模拟过盈装配过程中的结构安全判定可行的方案。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，包括以下步骤：
7.s1：根据三维绘图软件绘制铸铝结构体和管件的三维模型，在有限元前处理软件中进行导入；
8.s2：建立铸铝结构体和管件的有限元模型，对三维模型进行网格划分；
9.s3：在有限元前处理器中，检查铸铝结构体过盈孔和管件是否同轴，并检验孔内径和管外径的尺寸是否与公差带要求相一致；
10.s4：设置过盈安装有限元分析的分析参数；
11.s5：设置铸铝结构体和管件的材料参数；
12.s6：设置约束和施加载荷；
13.s7：应用有限元软件进行求解计算；
14.s8：对比压入最大载荷的仿真结果和测试结果，检验仿真标定结果的精确性，然后对步骤s7中铸铝结构体的应力结果进行强度评价。
15.进一步地，所述步骤s2中，铸铝结构体采用四面体单元，管件采用六面体单元。
16.进一步地，所述步骤s2中，对管件的网格划分采用旋转法建立三维实体网格模型，铸铝结构体的安装孔内表面用规则的直角三角形单元划分，然后再生成三维实体单元。
17.进一步地，所述步骤s3具体为：按照过盈安装的公差带以及孔的公差带，在管的公差带之下，核对过盈安装孔内径和管件外径的尺寸，确保孔和管的同轴度，确认过盈安装公差带与设计要求一致。
18.进一步地，所述步骤s4具体为：选择接触非线性计算方法，设置过盈接触对的初始接触参数，过盈接触面的摩擦系数设置为0.1，接触表面计算方法设置为增强的拉格朗日法，接触对设置为有限滑移。
19.进一步地，所述步骤s5具体为：管件的材料为线弹性材料，设置弹性模量和泊松比；铸铝结构体采用线弹性材料。
20.作为替代的，铸铝结构体采用弹塑性材料，输入弹塑性应力应变曲线数据。
21.进一步地，所述步骤s6具体为：在铸铝件底部施加约束，管件施加载荷；设置的分析类型为大变形效应。
22.更进一步地，所述步骤s6中，施加载荷类型为强制位移。
23.进一步地，所述步骤s7具体为：进行有限元非线性接触计算，通过后处理软件，查看压入载荷和位移的曲线，查看接触压力和缸体结构应力云图。
24.与现有技术相比，本发明技术方案具有以下区别：
25.1.本发明是是圆柱面过盈模拟，而不是圆锥面过盈模拟；
26.2.本发明有限元算法采用用增强的拉格朗日法和有限滑移相结合的接触面非线性计算方法；
27.3.本发明铸铝箱体采用弹塑性材料，而不是线弹性材料。
28.本发明具有以下有益效果：
29.本发明通过对过盈安装件与被安装件三维尺寸的有限元精细建模，按照过盈装配的公差带校验模型，采用增强的拉格朗日法和有限滑移法相结合的仿真方法，对铸铝件和空心圆柱体的过盈安装过程进行有限元非线性接触计算，可以计算过盈安装过程中压入载荷与位移的变化曲线，压入载荷随着压入位移的变化而变化。增强的拉格朗日法通过不停的更新接触刚度的罚函数，直至计算的穿透值小于允许值为止，这样有助于减少病态计算矩阵，克服应用大变形非线性有限元计算中收敛困难问题，能够高效的模拟过盈安装过程中，结构件本体受力变化，从而计算结构件本体的强度性能，为保证铸铝箱体在冷却水管过盈安装过程中的强度仿真及优化提供设计参考依据。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所
要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明实施例所述铸铝箱体和水管三维模型的网格划分；
32.图2为不同过盈量对应的压入载荷曲线；
33.图3为本发明所述铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法流程图。
具体实施方式
34.下面结合具体实例对本发明进行详细说明，以下实施实例将有助于本领域技术人员进一步理解本发明。需要理解的是，此处所描述的具体实例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
35.本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.本发明中，废除另有明确的规定和限定术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的范围或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的零件或元件必须具有特定方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，“第1”、“第2”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
37.一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，包括以下步骤：
38.s1：根据三维绘图软件绘制铸铝结构体和管件的三维模型，在有限元前处理软件中进行导入；
39.s2：建立铸铝结构体和管件的有限元模型，对三维模型进行网格划分；
40.s3：在有限元前处理器中，检查铸铝结构体过盈孔和管件是否同轴，并检验孔内径和管外径的尺寸是否与公差带要求相一致；
41.s4：设置过盈安装有限元分析的分析参数；
42.s5：设置铸铝结构体和管件的材料参数；
43.s6：设置约束和施加载荷；
44.s7：应用有限元软件进行求解计算；
45.s8：对比压入最大载荷的仿真结果和测试结果，检验仿真标定结果的精确性，然后对步骤s7中铸铝结构体的应力结果进行强度评价。
46.进一步地，所述步骤s1具体为：建立铸铝结构体过盈装配的三维模型的安装面与管件。
47.进一步地，所述步骤s2中，铸铝结构体采用四面体单元，管件采用六面体单元。
48.进一步地，所述步骤s2中，对管件的网格划分采用旋转法建立三维实体网格模型，铸铝结构体的安装孔内表面用规则的直角三角形单元划分，然后再生成三维实体单元。
49.进一步地，所述步骤s3具体为：按照过盈安装的公差带以及孔的公差带，在管的公
差带之下，核对过盈安装孔内径和管件外径的尺寸，确保孔和管的同轴度，确认过盈安装公差带与设计要求一致。
50.进一步地，所述步骤s4具体为：选择接触非线性计算方法，设置过盈接触对的初始接触参数，过盈接触面的摩擦系数设置为0.1，接触表面计算方法设置为增强的拉格朗日法，接触对设置为有限滑移。
51.进一步地，所述步骤s5具体为：管件的材料为线弹性材料，设置弹性模量和泊松比；铸铝结构体采用线弹性材料。
52.作为替代的，铸铝结构体采用弹塑性材料，输入弹塑性应力应变曲线数据。
53.进一步地，所述步骤s6具体为：在铸铝件底部施加约束，管件施加载荷；设置的分析类型为大变形效应。
54.更进一步地，所述步骤s6中，施加载荷类型为强制位移。
55.进一步地，所述步骤s7具体为：进行有限元非线性接触计算，通过后处理软件，查看压入载荷和位移的曲线，查看接触压力和缸体结构应力云图。
56.进一步地，所述步骤s8具体为：过盈装配压入过程仿真结果的标定是将计算结果与试验结果作比较，通过调整仿真参数和设置，使得仿真结果与试验结果相一致。
57.实施例1
58.一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，本实施例结合某铸铝发动机缸体在冷却水管过盈压入过程进行说明：包括以下步骤：
59.步骤1：建立铸铝发动机缸体和压入水管的三维模型，在三维绘图软件中建立装配好的铸铝发动机缸体和水管三维模型，导出有限元软件能够识别的文件格式；
60.步骤2：有限元建模，对三维模型进行网格划分，在保证计算精度并节省计算时间的条件下，合理设置单元网格类型和网格尺寸；
61.步骤3：核对过盈安装孔和管件的直径尺寸，按照过盈安装的公差带以及孔的公差带，在管的公差带之下，小心核对孔内径和管外径的尺寸，确保孔和管的同轴度，确认过盈安装公差带与设计要求一致；需要注意的是，如果计算不同过盈配合公差下的结果，需在步骤2种建立不同的有限元模型；
62.步骤4：设置分析参数，选择过盈安装有限元分析的接触算法，选择增强的拉格朗日法和有限滑移方法进行接触非线性有限元计算；
63.步骤5：设置材料参数，分别设置发动机缸体、水管和压入块材料的机械性能参数，如弹性模量、泊松比等；
64.步骤6：设置约束和施加载荷，在发动机缸体与缸盖的结合面设置约束，在压入块上施加强制位移载荷；
65.步骤7：有限元求解，根据步骤1～6有限元前处理中的设置，进行有限元非线性接触计算，计算得到过盈安装整个仿真过程及结果，获得安装过程中轴向压入力和径向接触压力结果、发动机缸体应力结果。
66.步骤8：对比压入最大载荷的仿真结果和测试结果，检验仿真标定结果的精确性，然后对步骤7中缸体的应力结果进行强度评价。
67.上述技术方案中，所述步骤1为：建立铸铝发动机缸体过盈装配的三维模型的安装面与管件，其中，铸铝发动机缸体过盈安装孔的直径尺寸和水管的外径尺寸，需要跟过盈量
的实际尺寸相一致；
68.上述技术方案中，所述步骤2为：对水管的网格划分采用旋转法建立三维实体网格模型，铸铝发动机缸体的安装孔内表面用规则的直角三角形单元划分，然后再生成三维实体单元；
69.上述技术方案中，所述步骤4为：设置过盈接触对的初始接触参数，过盈接触面的摩擦系数设置为0.1，接触表面计算方法设置为增强的拉格朗日法，接触对设置为有限滑移；
70.上述技术方案中，所述步骤5为：水管的材料为线弹性材料，设置弹性模量和泊松比；发动机缸体材料有2种设置方法，第1种方法采用线弹性材料，第2种方法采用弹塑性材料，输入应力应变曲线数据。具体地，体采用压铸铝，水管采用不锈钢，压入块采用结构钢，其中压铸铝材料输入弹塑性应力应变曲线。
71.上述技术方案中，所述步骤6为：施加载荷类型为强制位移。
72.上述技术方案中，所述步骤7为：过盈装配压入过程仿真结果的标定是将计算结果与试验结果作比较，通过调整仿真参数和设置，使得仿真结果与试验结果相一致。本发明标定参数为压入过程的最大载荷，仿真调整的内容是接触面摩擦系数、材料弹塑性数据和仿真分析类型。
73.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：根据三维绘图软件绘制铸铝结构体和管件的三维模型，在有限元前处理软件中进行导入；s2：建立铸铝结构体和管件的有限元模型，对三维模型进行网格划分；s3：在有限元前处理器中，检查铸铝结构体过盈孔和管件是否同轴，并检验孔内径和管外径的尺寸是否与公差带要求相一致；s4：设置过盈安装有限元分析的分析参数；s5：设置铸铝结构体和管件的材料参数；s6：设置约束和施加载荷；s7：应用有限元软件进行求解计算；s8：对比压入最大载荷的仿真结果和测试结果，检验仿真标定结果的精确性，然后对步骤s7中铸铝结构体的应力结果进行强度评价。2.如权利要求1所述的一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，其特征在于，所述步骤s2中，铸铝结构体采用四面体单元，管件采用六面体单元。3.如权利要求1所述的一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，其特征在于，所述步骤s2中，对管件的网格划分采用旋转法建立三维实体网格模型，铸铝结构体的安装孔内表面用规则的直角三角形单元划分，然后再生成三维实体单元。4.如权利要求1所述的一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，其特征在于，所述步骤s3具体为：按照过盈安装的公差带以及孔的公差带，在管的公差带之下，核对过盈安装孔内径和管件外径的尺寸，确保孔和管的同轴度，确认过盈安装公差带与设计要求一致。5.如权利要求1所述的一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，其特征在于，所述步骤s4具体为：选择接触非线性计算方法，设置过盈接触对的初始接触参数，过盈接触面的摩擦系数设置为0.1，接触表面计算方法设置为增强的拉格朗日法，接触对设置为有限滑移。6.如权利要求1所述的一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，其特征在于，所述步骤s5具体为：管件的材料为线弹性材料，设置弹性模量和泊松比；铸铝结构体采用线弹性材料。7.如权利要求6所述的一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，其特征在于，铸铝结构体采用弹塑性材料，输入弹塑性应力应变曲线数据。8.如权利要求1所述的一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，其特征在于，所述步骤s6具体为：在铸铝件底部施加约束，管件施加载荷；设置的分析类型为大变形效应。9.如权利要求8所述的一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，其特征在于，所述步骤s6中，施加载荷类型为强制位移。10.如权利要求1所述的一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，其特征在于，所述步骤s7具体为：进行有限元非线性接触计算，通过后处理软件，查看压入载荷和位移的曲线，查看接触压力和缸体结构应力云图。

技术总结
本发明公开了一种铸铝结构圆柱面过盈装配压入过程的仿真标定方法，采用增强的拉格朗日法和有限滑移相结合的接触面非线性计算方法，经过数值迭代，不停的更新接触刚度的罚函数，有助于减少计算矩阵的病态，提高计算收敛的成功率。本发明不仅可以计算接触面的压力分布和轴向压入载荷，标定计算最大载荷和测试最大载荷，确定接触摩擦系数、材料参数设置、分析类型的综合仿真标定方法。根据结构在过盈安装过程中的应力结果计算安全系数分布，通过仿真模拟过盈装配过程中的结构安全判定可行的方案。案。案。


技术研发人员：曹征栋 武斌 王宏飞 朱学武
受保护的技术使用者：中国第一汽车股份有限公司
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/8/24