一种螺栓结合部非线性连接层建模方法

技术领域

本发明属于机械结构动力学的技术领域，特别是一种螺栓结合部非线性连接层建模方法。

背景技术

机械螺栓结合面普遍存在于各类机械装备系统的结构联结部位，其动态参数在很大程度上直接决定着机械装备系统的动态性能。由于影响结合面动态特性的因素和机理较为复杂，结合面在接触过程中的非线性等特点，导致结合面接触理论及其应用的研究进展相对缓慢，长期以来始终是机械动力学领域的研究重点之一。

随着商业有限元软件的不断发展，目前广泛使用有限元法对连接结构的动力学特性进行研究。传统的简化等效建模方法往往是对结合面绑定线性化处理，忽略了结合面非线性特性对动态响应的影响。但是，螺栓连接结合面接触行为是强非线性，因此建立的模型得到的动态行为与实际结构相差较大。因此，建立准确描述螺栓连接结合面特性的动力学简化等效模型，才能得到比较准确的复杂装配体结构的动态响应传递，进而对复杂装配体结构进行动态响应分析以及动态优化设计。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种螺栓结合部非线性连接层建模方法。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种螺栓结合部非线性连接层建模方法包括以下步骤：

根据螺栓连接结构的几何参数和材料参数建立有限元模型，所述螺栓连接结构包括螺栓连接件和被连接件；

在所述螺栓连接结构的螺栓结合部建立非线性连接层模型，非线性连接层的材料定义为Richard-Abbot本构模型，并设置初始材料参数；

开展激振器实验，获得正弦激励下所述螺栓连接结构的加速度响应；

基于所述加速度响应，利用非线性参数识别方法识别所述非线性连接层模型的材料参数，基于所述识别后非线性连接层模型的材料参数建立所述螺栓连接结构的动力学模型。

所述的方法中，Richard-Abbot模型本构关系为：

其中：E

所述的方法中，非线性参数识别方法包括：

通过非线性瞬态仿真计算得到螺栓连接结构在不同激振频率正弦载荷下的加速度响应；

根据螺栓连接结构仿真计算得到的加速度响应与激振器实验得到的加速度响应建立目标函数，将非线性连接层的材料参数作为设计变量；

设置约束条件，基于遗传算法对非线性连接层模型的材料参数进行识别；

目标函数满足终止条件后，得到识别后的非线性连接层模型的材料参数。

所述的方法中，所述目标函数为：

式中：a

所述的方法中，非线性连接层的长度与厚度之比在10～100之间。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：本方法能够对螺栓连接结构的结合部进行等效建模，模拟结合部的非线性特性；本发明参数识别后结构的仿真计算结果与实验结果一致，提高了螺栓连接结构的计算精度；本发明提出的建模方法能够避免螺栓连接结构计算过程中复杂的接触算法，减少计算时间，提高建模效率与计算效率；本发明提出的建模方法不改变螺栓连接结构的尺寸和质量，适合处理结构中螺栓结合部较多的情况；发明提出的建模方法操作简便，能够直接应用于复杂装配结构的有限元仿真计算中，有效指导复杂装配结构的数值分析。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1为本发明螺栓结合部非线性连接层建模方法的流程图；

图2为本发明实施例中单螺栓连接结构的几何尺寸；

图3为本发明实施例中单螺栓连接结构与非线性连接层的有限元模型；

图4为本发明实施例中正弦激励下单螺栓连接结构实验与参数识别后计算得到的加速度响应曲线。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图4更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

一种螺栓结合部非线性连接层建模方法，包括以下步骤：

根据螺栓连接结构的几何参数和材料参数建立有限元模型，所述螺栓连接结构包括螺栓连接件和被连接件；

在所述螺栓连接结构的螺栓结合部建立非线性连接层模型，非线性连接层的材料定义为Richard-Abbot本构模型，并设置初始材料参数；

开展激振器实验，获得正弦激励下所述螺栓连接结构的加速度响应；

基于所述加速度响应，利用非线性参数识别方法识别所述非线性连接层模型的材料参数，基于所述识别后非线性连接层模型的材料参数建立所述螺栓连接结构的动力学模型。

所述的方法的优选实施方式中，Richard-Abbot模型本构关系为：

其中：E

所述的方法的优选实施方式中，非线性参数识别方法包括：

通过非线性瞬态仿真计算得到螺栓连接结构在不同激振频率正弦载荷下的加速度响应；

根据螺栓连接结构仿真计算得到的加速度响应与激振器实验得到的加速度响应建立目标函数，将非线性连接层的材料参数作为设计变量；

设置约束条件，基于遗传算法对非线性连接层模型的材料参数进行识别；

目标函数满足终止条件后，得到识别后的非线性连接层模型的材料参数。

所述的方法的优选实施方式中，所述目标函数为：

式中：a

所述的方法的优选实施方式中，非线性连接层的长度与厚度之比在10～100之间。

所述的方法的优选实施方式中，如图1所示，一种螺栓结合部非线性连接层建模方法包括如下步骤：

步骤1：根据螺栓连接结构的几何参数和材料参数建立有限元模型，采用实体单元对被连接结构进行建模；

步骤2：在螺栓连接结构的结合部建立非线性连接层模型，采用实体单元对非线性连接层进行建模，非线性连接层的材料定义为Richard-Abbot本构模型，并设置初始材料参数；

步骤3：对螺栓连接结构进行激振器实验，获得正弦激励下结构的加速度响应；

步骤4：根据实验得到的螺栓连接结构在正弦激励下的加速度响应实验数据，通过一种非线性参数识别方法对非线性连接层的材料参数进行识别，得到准确的非线性连接层模型参数，建立准确的螺栓连接结构动力学模型。

进一步的，所述螺栓连接结构由被连接件和螺栓连接件组成；

进一步的，所述螺栓连接结构的有限元模型中忽略螺栓、螺母和垫片，只保留被连接结构；

进一步的，步骤2中非线性连接层为被连接结构的部分指定区域，密度与被连接结构相同；

进一步的，步骤2中非线性连接层的长度与厚度之比在10～100之间；

进一步的，步骤2中非线性连接层材料定义为Richard-Abbot本构模型：

其中：E

进一步的，步骤3中采用定力矩扳手控制螺栓连接结构中螺栓预紧力的大小，在确定的螺栓预紧力下对结构进行激振实验；

进一步的，步骤3中采用激振器对螺栓连接结构施加正弦激励，激振频率在结构第一阶固有频率附近；

进一步的，步骤3中根据螺栓连接结构的几何参数选取激励点和测点位置，获得正弦激励下螺栓连接结构的加速度响应曲线；

进一步的，步骤4中非线性参数识别方法步骤如下：

(1)在有限元软件中对螺栓连接结构进行建模，并在其螺栓结合部建立非线性连接层模型，输入初始参数；

(2)通过非线性瞬态仿真计算得到螺栓连接结构在不同激振频率正弦载荷下的加速度响应；

(3)根据螺栓连接结构仿真计算得到的加速度响应与实验得到的加速度响应建立目标函数，将非线性连接层的材料参数作为设计变量；

(4)设置约束条件，基于遗传算法对非线性连接层的材料参数进行识别；

(5)目标函数满足终止条件后，得到识别后的非线性连接层材料参数。

进一步的，步骤4中的设计变量即非线性连接层的材料参数为弹性模量E

进一步的，步骤4中非线性参数识别方法的目标函数如下：

式中：a

下面结合示例，对本发明提出的建模方法进行阐述。这一实施例仅用于说明本发明，不限制本发明建模方法应用的范围。基于本发明所描述的建模方法，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下进行的等价形式的修改，均属于本发明保护的范围。

实施例为单螺栓连接结构，几何尺寸如图2所示，其中螺栓规格为M10。被连接梁的材料为钢，材料参数为：密度7850kg·m

根据单螺栓连接结构的几何参数在ANSYS中建立有限元模型，忽略螺栓、螺母和垫片，只保留被连接梁，并采用实体单元对被连接梁进行建模。在螺栓连接结构的结合部建立非线性连接层模型，非线性连接层为被连接梁的部分区域，采用实体单元对非线性连接层进行建模，如图3所示。非线性连接层的厚度为6mm，密度与被连接梁相同。非线性连接层的材料定义为Richard-Abbot本构模型，材料参数的初始值如表1所示。

采用定力矩扳手控制单螺栓连接结构中螺栓预紧扭矩为2N.m，对结构进行激振实验，根据螺栓连接结构的几何参数选取激励点和测点位置。激振实验中采用激振器对螺栓连接结构施加正弦激励，幅值为3N，频率在结构第一阶固有频率附近，实验获得单螺栓连接结构的加速度响应曲线。根据实验得到的单螺栓连接结构在激振力幅值为3N时1号测点的加速度响应，通过非线性参数识别方法对非线性连接层的材料参数进行识别。识别后得到准确的非线性连接层模型参数如表1所示。

表1非线性连接层材料参数

参数识别后单螺栓连接结构在正弦激励下的加速度响应计算值如图4所示。从图中可以看出，参数识别后单螺栓连接结构仿真计算的加速度响应值与实验值一致，说明了本发明提出的建模方法的准确性。通过本发明提出的建模方法，能够提高连接结构动态响应的计算精度。

本发明的螺栓结合部非线性连接层建模方法根据螺栓连接结构的几何参数和材料参数在ANSYS中建立有限元模型，并在螺栓结合部建立非线性连接层模型。非线性连接层材料定义为Richard-Abbot本构模型并设置初始材料参数；其次，对螺栓连接结构进行激振器实验，获得正弦激励下结构的加速度响应；最后，通过一种非线性参数识别方法对非线性连接层的材料参数进行识别，得到准确的非线性连接层模型参数，从而建立准确的螺栓连接结构动力学模型。本发明不仅能提高螺栓连接结构的建模效率，减少计算时间，而且不改变结构的尺寸和质量，能直接应用于复杂装配结构的有限元仿真计算。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。