[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

本發明公開了一種基于分層虛擬材料的螺栓連接結合部建模方法，首先，構建包含接觸面和預緊力的螺栓連接結構有限元模型，通過非線性靜力學分析獲得結合面接觸壓力分布和間隙分布特征；其次，結合面接觸區域采用分層虛擬材料描述其動態特性，非接觸區域的動態特性通過間隙—彈簧單元模擬，構建結合面有限元模型；最后，將結合面模型融入整體有限元模型，去除螺栓和螺母模型，螺孔采用與螺栓相同的材料進行填充，基于脈沖激勵實驗識別模型剛度參數，建立基于分層虛擬材料的螺栓連接結構有限元模型。該方法適用于復雜螺栓裝配連接結構，具有求解速度快和準確度高的優點，為螺栓連接結構的動態響應預測和可靠性優化設計提供了基礎。

技術領域

本發明屬于機械連結構動力學的技術領域，特別涉及一種螺栓連接結構結合部非線性建模方法。

背景技術

螺栓連接結構屬于機械連接中的可拆連接結構，由于螺栓連接具有連接剛度大和易拆裝等優點，被廣泛應用于土木工程、橋梁、機械制造、武器裝備等領域。螺栓連接結構長期工作在高溫高壓等惡劣環境中，若連接部位結合狀態不良，在沖擊和交變載荷等外力作用下，容易導致其連接部位疲勞損傷、松動，繼而引發重大安全事故。構建螺栓連接結合部動力學模型，對于預測螺栓組件在外部載荷作用下的動態響應和可靠性優化設計具有重要實用價值。

在外載荷作用下螺栓連接結構接觸界面會產生微觀滑移和碰撞等非線性現象，進而引起局部剛度變化，對整體結構動態響應產生重要影響。螺栓連接結構建模的本質是描述預緊狀態下連接界面的接觸力學行為，其結合面分為接觸區域和非接觸區域，接觸區域的壓力為非均勻分布，然而目前的結合面接觸區域模型未考慮非均勻接觸壓力分布的影響；結構的微觀碰撞等非線性特性一般發生在非接觸區域，然而目前非線性模型建立在整體結合面上，未考慮結合面接觸特性的影響，這在一定程度上增加了非線性維數，降低了模型求解效率。

發明內容

本發明的目的是為了彌補現有技術存在的不足，提供一種螺栓連接結合部建模方法。該方法將螺栓連接結合面劃分為接觸區域和非接觸區域，接觸區域的動態特性采用考慮結合面非均勻接觸壓力與剛度分布的分層虛擬材料描述，非接觸區域的微觀碰撞等動態特性通過間隙—彈簧單元模擬，構建基于分層虛擬材料的螺栓連接結構有限元模型，為螺栓連接結構的動態性能預測和可靠性優化設計奠定基礎。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于分層虛擬材料的螺栓連接結合部建模方法，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。

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，其計算過程包括：