[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

本發明公開一種利用虛擬材料等效栓接結合部動態特性的方法，將栓接結合部看作多種虛擬材料層，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，將栓接結合部的接觸壓力分布等效為關于接觸半徑的4階多項式函數；利用材料力學知識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(彈性模量、剪切模量、泊松比、密度、虛擬層厚度)間的函數關系；通過有限元法將二層、三層或者多層虛擬材料與各子結構耦合建立整體結構的有限元模型，并進行動態響應分析，將獲得的頻響函數與模態試驗數據比較，驗證所建模型的正確性，為研究栓接結合部動態特性提供新的思路和方法。

技術領域

本發明涉及結合面理論研究領域中動力學特性領域，尤其涉及一種利用虛擬材料法等效栓接結合部動力學特性的方法。

背景技術

數控機床中存在大量結合部，使得結構的連續性被破壞，從而表現出復雜的動力學特性，極大程度地影響了整機動態性能。研究表明，機床中結合部的接觸剛度約占機床總剛度的60％～80％，結合部的接觸阻尼占機床全部阻尼的90％以上，結合部引起的變形量約占機床總變形量的40％～60％。因此，開展結合部動態特性研究是機械系統由單件分析走向整機分析的關鍵，是整機性能預測的基礎。

通常采用彈簧-阻尼單元模擬結合部的動態特性，但是利用有限元仿真時難以將剛度和阻尼模型與各子結構之間進行耦合，整體結構的動態特性難以通過仿真技術實現。利用虛擬材料模擬栓接結合部的動態特性可以大大降低利用有限元仿真時帶來的困難，但是目前的研究是將栓接結合部等效為一層虛擬材料，難以提高整體結構的仿真精度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種利用虛擬材料等效栓接結合部動態特性的方法，以解決上述技術問題。本發明利用多層虛擬材料模擬栓接結合部的動態特性，降低栓接結合部與各子結構間的耦合難度，提高整體結構的仿真精度。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種利用虛擬材料等效栓接結合部動態特性的方法，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。

進一步的，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，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：