[發明專利]一種基于分層虛擬材料的螺栓連接結合部建模方法

在審

• 申請號: 202211270299.3
• 申請日: 2022-10-18
• 公開（公告）號: CN115495962A
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發明（設計）人: 曹建斌;吳成磊;劉文藝;謝文濤
• 申請（專利權）人: 江蘇師范大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F119/14;G06F119/02
• 代理公司: 溫州市興甌步創知識產權代理事務所(普通合伙) 33494
• 代理人: 花修洋

1.一種基于分層虛擬材料的螺栓連接結合部建模方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)設置材料屬性、結合面接觸和螺栓預緊力，構建螺栓連接結構有限元模型，進行螺栓連接結構非線性靜力學分析，獲得被連接件結合面接觸壓力分布云圖和間隙分布云圖，將結合面劃分為接觸區域和非接觸區域兩部分；

(2)在結合面接觸區域，根據接觸壓力分布特征將接觸區域劃分為圍繞螺孔的若干層圓環，各層圓環的接觸壓力P_i(i＝1,2…n，n為層數)近似為均勻分布。對應于各層圓環，通過虛擬材料分別描述各層圓環在接觸壓力下的動力學性能，組裝各層虛擬材料，構建結合面接觸區域分層虛擬材料模型；

(3)在結合面非接觸區域，根據間隙分布特征將非接觸區域劃分為若干塊，通過MPC技術將每個塊的接觸表面節點凝聚到一個虛擬節點上，間隙接觸表面的兩個虛擬節點之間通過間隙—彈簧單元連接，求解兩個虛擬節點的非線性動態響應就可以表征結合面非接觸區域微觀碰撞非線性動態特性；

(4)集成結合面接觸區域分層虛擬材料模型和非接觸區域間隙—彈簧單元模型，構建結合面有限元模型，將結合面模型融入步驟(1)中的連接結構有限元模型，去除結構模型中的螺栓和螺母，螺栓孔采用與螺栓相同的材料進行填充，建立基于分層虛擬材料的螺栓連接結構有限元模型。

2.根據權利要求1所述的一種基于分層虛擬材料的螺栓連接結合部建模方法，其特征在于，所述步驟(2)中的結合面接觸區域分層虛擬材料模型，第i層虛擬材料所需的材料參數為彈性模量E_i、剪切模量G_i、泊松比υ_i和密度ρ_i，其計算步驟如下：

(1)從微觀角度出發，測量連接結構接觸表面的粗糙輪廓曲線，計算獲得接觸表面的分形維數D和分形粗糙度參數G；

接觸表面粗糙輪廓曲線采用Weierstrass-Mandelbrot函數表達，其結構函數的對數形式為

logS(τ)＝(4-2D)logτ+logC

其中：τ為采樣長度方向上的位移，

利用最小二乘法對曲線結構函數的對數形式進行直線擬合，獲得直線的斜率k_s和截距b，在雙對數坐標系下，logS(τ)是logτ的直線函數，則k_s＝4-2D，b＝logC，分形參數D和G的表達式為：

D＝2-0.5k_s

(2)根據第i層圓環的接觸壓力P_i，計算微凸體的最大橫截面積a′_L，P_i和a′_L的關系表達式為

其中：E^*為等效粗糙表面的等效彈性模量，且υ₁、υ₂和E₁、E₂分別為兩個接觸表面的泊松比和彈性模量；H為材料的硬度；ψ為微凸體尺寸分布的域擴展因子，與分形維數D有關，ψ與D的關系為ψ^1-0.5D-(1+ψ^-0.5D)^-(2-D)/D＝(2-D)/D；a′_c為微凸體彈塑性變形的臨界截面積，表達式為

(3)第i層虛擬材料的彈性模量E_i、剪切模量G_i、泊松比υ_i和密度ρ_i的表達式分別為

其中：A_i為第i層圓環的面積。

3.根據權利要求1所述的一種基于分層虛擬材料的螺栓連接結合部建模方法，其特征在于，所述步驟(3)中的結合面非接觸區域的間隙—彈簧單元，根據步驟(1)得到的間隙分布云圖，單元初始間隙值通過計算相應區域的間隙平均值獲得，單元剛度通過參數識別方法獲得，參數識別方法如下：

首先，利用力錘敲擊的方式開展螺栓連接結構脈沖激勵實驗，獲得脈沖激勵下的螺栓連接結構加速度頻率響應實驗結果；

其次，所述步驟(4)中建立的螺栓連接結構有限元模型，進行脈沖激勵條件下的結構動力學仿真，計算得到加速度頻率響應仿真結果；

最后，以間隙—彈簧單元的彈簧剛度為設計變量，以不同頻率下加速度響應幅值的仿真結果與實驗結果誤差之和最小為目標函數，基于高精度一階優化方法對單元彈簧剛度進行優化，滿足優化終止條件后，獲得識別后的間隙—彈簧單元剛度參數。