[發明專利]一種利用虛擬材料等效栓接結合部動態特性的方法

有效

• 申請號: 201710851254.8
• 申請日: 2017-09-20
• 公開（公告）號: CN107491624B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 李玲;蔡安江;褚崴
• 申請（專利權）人: 西安建筑科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 田洲

1.一種利用虛擬材料等效栓接結合部動態特性的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、確定栓接結合部接觸壓應力：假設垂直栓接結合部方向上壓應力均勻分布，大小隨螺栓作用力的影響半徑變化而變化，且壓應力分布呈截頭圓錐體，利用有限元法模擬栓接結合部在不同螺栓預緊力下，不同接觸區域的受力情況，并將接觸壓力等效為關于接觸半徑的4階多項式函數；

步驟二、確定栓接結合部虛擬材料的相關參數：建立栓接結合部等效虛擬材料模型，確定有效接觸區域內接觸半徑與虛擬材料屬性間的函數關系；虛擬材料屬性包括彈性模量E、剪切模量G、泊松比υ、密度和虛擬層厚度；其中虛擬材料的彈性模量E、剪切模量G、泊松比υ均是關于螺栓作用力的影響半徑的函數，而平均密度和虛擬材料厚度與接觸半徑無關，為確定值；

步驟三、有限元法確定整體結構的頻率響應：根據虛擬材料模型和接觸壓力的變化曲線，將栓接結合部等效為二層、三層或者多層虛擬材料，利用子結構耦合法建立整體結構的有限元模型，并進行動態響應分析，獲得栓接結合部整體結構的頻響函數。

2.根據權利要求1所述的一種利用虛擬材料等效栓接結合部動態特性的方法，其特征在于，垂直栓接結合部方向上壓應力大小隨螺栓作用力的影響半徑變化而變化，且壓應力分布呈截頭圓錐體，將栓接結合部接觸壓力P_n(r)等效為關于(r/a)的4階多項式函數：

式中，r表示螺栓作用力的影響半徑，a表示螺栓孔半徑，a₀、a₁、a₂、a₃和a₄為4階多項式函數的相關系數；

根據邊界條件：

由于，螺栓接觸載荷為：

式中，積分上限c表示接觸區域的半徑：

c＝b+h tanδ (4)

其中，b表示連接件所受載荷半徑，h表示連接件的厚度，δ表示有效作用區域內的圓錐體半錐角；

由式(1)、(2)和(3)求出系數

式中，λ＝c/a。

3.根據權利要求1所述的一種利用虛擬材料等效栓接結合部動態特性的方法，其特征在于，步驟二中，利用有限元法和材料力學知識建立栓接結合部等效虛擬材料模型，獲得有效接觸區域內接觸半徑與虛擬材料屬性間的函數關系；

設虛擬材料厚度為l，名義接觸面積為A，法向力F_n的作用下的變形量為Δl，則虛擬材料的應力為σ＝F/A，應變ε＝Δl/l；根據胡克定律

σ＝Eε (6)

得

式中，k_n表示虛擬材料的法向剛度

其中，α_n和β_n表示結合部法向特性參數，α_n和β_n通過試驗測定；

將式(8)帶入式(7)中，得虛擬材料的彈性模量為

對于虛擬材料的泊松比根據Mindlin理論，得結合面法向剛度與切向剛度比為

式中，υ表示虛擬材料的泊松比；k_t表示虛擬材料的切向剛度

其中，α_t和β_t表示結合部切向特性參數，α_t和β_t通過試驗測定；

根據式(8)、(10)和(11)得虛擬材料的泊松比為

虛擬材料的剪切模量為

由式(9)、(12)和(13)求出虛擬材料的剪切模量；

虛擬材料的平均密度為

式中，m₁和m₂分別表示上下試件微凸體的質量，ρ₁和ρ₂分別表示上下試件微凸體的密度，l₁和l₂分別表示上下試件微凸體的厚度；

l＝1mm，l₁≈l₂＝0.5mm，式(14)轉化為：