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基于螺栓连接刚度的动力学模型修正

应用力学学报 2021年第4期38卷 1616-1621页

作者：杜家政徐颖康付胜伟汤威孟凡伟北京工业大学机电学院现代工程力学研究所北京100124

由于螺栓连接具有简单、可靠、安装方便等优点,在实际工程中被广泛采用。螺栓连接的连接刚度介于铰接和刚接之间,工程上一般直接处理为铰接或刚接,简化处理会影响栓接结构的仿真精度。为了提高栓接结构仿真的精度,更真实地反映栓接结构... 详细信息

由于螺栓连接具有简单、可靠、安装方便等优点,在实际工程中被广泛采用。螺栓连接的连接刚度介于铰接和刚接之间,工程上一般直接处理为铰接或刚接,简化处理会影响栓接结构的仿真精度。为了提高栓接结构仿真的精度,更真实地反映栓接结构的动态特性,需要根据实验测试数据确定栓接的真实刚度。本文采用六自由度弹簧模拟螺栓连接,建立栓接结构的仿真模型:以栓接刚度为设计变量,以特征向量的数值仿真结果与实验测试结果的残差最小为目标,以固有频率的数值仿真结果与实验测试结果的残差为约束,建立了优化模型。通过迭代求解优化模型得到的栓接刚度,就是使数值仿真结果与实验测试结果相匹配的栓接刚度。用栓接结构的数值仿真结果替代实验测试数据,对修正后的栓接结构进行了静力和动力分析,分析了螺栓连接结构的数值仿真误差。数值算例表明:上述模型修正方法可以确定螺栓连接的真实刚度,能够提高螺栓连接结构的数值仿真精度;可为螺栓连接结构的理论分析和工程设计提供参考。

关键词：结构优化模型修正螺栓连接结构模态分析螺栓刚度

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扭动微动下亚表面接触应力分布规律

应用力学学报 2020年第4期37卷 1615-1622,I0016页

作者：裴喜永李玲杜文刚原思聪郭铁能西安建筑科技大学机电工程学院西安710055 北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124

求解螺栓连接结构在扭动微动下的应力分布时,通常接触体的亚表面应力是由表面应力推导而得。而扭矩卸载时,由于接触表面切向力的表达式非常复杂,很难获得亚表面应力分布规律,为此引入半解析法求解亚表面应力分布特征。首先,根据加、卸... 详细信息

求解螺栓连接结构在扭动微动下的应力分布时,通常接触体的亚表面应力是由表面应力推导而得。而扭矩卸载时,由于接触表面切向力的表达式非常复杂,很难获得亚表面应力分布规律,为此引入半解析法求解亚表面应力分布特征。首先,根据加、卸载时的切向力和扭矩方程,获得加、卸载时的表面切向应力分布规律;然后,利用半解析法计算出加载时的亚表面应力,并与解析法的结果进行对比,验证半解析法的正确性,再用半解析法计算出卸载时的亚表面应力;最后,探讨了扭矩和摩擦系数对卸载时应力分布的影响规律。研究表明:卸载时,最大应力出现在接触表面或接触中心的正下方;随着扭矩的减小,整体应力减小,而最大应力先减小后不变;随着摩擦系数的增大,整体应力、最大应力值增大;应力值相对较小时,最大应力点出现在亚表面上。

关键词：螺栓连接结构扭动微动亚表面接触应力应力分布半解析法

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气垫围裙连接结构数值仿真及改进设计

中国舰船研究 2021年第3期16卷 120-127页

作者：王露寒唐文勇徐圣杰袁昱超上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011

[目的]气垫围裙连接结构设计目前多采用经验公式的方法,采用数值仿真方法的较少。针对围裙连接结构的特殊性,提出考虑螺栓连接、多构件复杂接触以及围裙与金属构件相互作用等因素的连接件三维有限元模型构建方法,从而为围裙连接结构设... 详细信息

[目的]气垫围裙连接结构设计目前多采用经验公式的方法,采用数值仿真方法的较少。针对围裙连接结构的特殊性,提出考虑螺栓连接、多构件复杂接触以及围裙与金属构件相互作用等因素的连接件三维有限元模型构建方法,从而为围裙连接结构设计提供有效的手段。[方法]以气垫船艏部围裙连接结构为例,构建相应的精细化模型,然后根据某气垫船围裙系统静垫升成型结果得到的垫升和极端工况下的载荷,计算围裙受拉后连接结构各构件的应力分布情况,并在此基础上对关键构件提出改进方案。[结果]结果显示,船体板螺栓孔上缘、销轴端部以及铰链的过渡部分为主要的高应力区域;提出的局部加厚以及封闭式搭扣这2类改进方案均使围裙铰链最大平均应力下降20%以上,证明所提结构改进方案可以有效提高铰链的承载能力。[结论]所提数值仿真思路能够有效地对围裙连接结构强度进行计算,提出的改进方案可为设计提供支撑。

关键词：气垫围裙螺栓连接结构精细化模型围裙铰链改进设计

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弹塑性变形对螺栓应力和轴力分布的影响

机械设计与制造 2009年第4期 231-232页

作者：段志东刘克温兰州交通大学土木工程学院兰州730070 兰州供电公司兰州730000

为了解决液压机用锯齿形螺纹在啮合螺纹段第一扣牙根处的疲劳断裂问题,采用非线性有限元数值模拟方法,以ANSYS软件为工具,考虑螺栓和螺母材料的弹塑性,研究了不同轴力作用下啮合螺纹段的应力和变形规律。给出不同轴力下螺栓啮合螺纹段... 详细信息

为了解决液压机用锯齿形螺纹在啮合螺纹段第一扣牙根处的疲劳断裂问题,采用非线性有限元数值模拟方法,以ANSYS软件为工具,考虑螺栓和螺母材料的弹塑性,研究了不同轴力作用下啮合螺纹段的应力和变形规律。给出不同轴力下螺栓啮合螺纹段中轴力和牙根峰值等效应力沿螺母高度的非线性分布规律,得出螺母螺纹约70%塑性变形可使螺栓牙根峰值等效应力和牙间轴力趋于均匀分布的结论,为大型螺栓连接结构的弹塑性设计提供了有益指导。

关键词：液压机螺栓连接结构有限元分析轴力弹塑性

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螺栓连接对转子动力特性影响的研究

螺栓连接对转子动力特性影响的研究

作者：赵丹沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

转子是航空发动机的重要组件之一，转子动力学特性直接影响航空发动机整机性能及其工作可靠性。螺栓连接以结构简单、连接刚性好等优点广泛应用于航空发动机结构中。在转子结构设计中，螺栓连接结构设计多采用经验公式，近些年对其结构... 详细信息

转子是航空发动机的重要组件之一，转子动力学特性直接影响航空发动机整机性能及其工作可靠性。螺栓连接以结构简单、连接刚性好等优点广泛应用于航空发动机结构中。在转子结构设计中，螺栓连接结构设计多采用经验公式，近些年对其结构刚性，动力学特性及其对整个转子动力特性的影响更是缺乏深入的研究。近些年随着计算机及有限元技术的发展研究的不断深入，螺栓连接结构及其动力学特性的研究越来越受到重视。本文首先对螺栓连接结构的接触问题进行了研究，对影响螺栓连接结构法向接触的主要参数进行了分析，通过对几种典型的试验件进行模态试验，并与有限元计算结果对比分析，表明了两种方法所得到的结果有较好的一致性，证明有限元数值仿真可以很准确模拟螺栓连接结构动力学特性。然后通过利用有限元方法，对影响螺栓连接结构参数（如安装边厚度，高度，接触面摩擦系数等参数）进行灵敏度分析，并通过多目标驱动优化设计方法实现了螺栓连接结构弯曲刚度的优化设计。使用有限元方法对典型的转子螺栓连接结构进行了动力学特性分析，得到了螺栓预紧力影响模态频率的大小。并基于螺栓预紧力确定的分离准则、强度准则，疲劳寿命准则，在转子工作范围内，计算出合理的螺栓预紧力数值的大小。并依据所得到的结果选取几组合理的螺栓预紧力数值，使用Compbell图方法得到了螺栓预紧力对转子临界转速数值的影响，并通过使用瞬态动力学方法模拟转子的加速过程，验证了Compbell图方法计算的正确性。最后，通过对某型航空发动机涡轮转子结构进行建模分析，研究了螺栓预紧力对实际发动机转子结构的动力学特性的影响，并考虑了稳态温度场对转子结构的动力学特性的影响。为今后进一步分析多种载荷下螺栓连接对转子动力学特性的影响打下了基础。

关键词：螺栓连接结构接触刚度模态试验临界转速稳态温度场

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基于螺栓连接刚度的动力学模型修正

基于螺栓连接刚度的动力学模型修正

作者：徐颖康北京工业大学

学位级别：硕士

在实际工程中,螺栓连接结构具有简单、可靠、易于拆装等优点而被广泛应用。螺栓连接刚度介于铰接和刚接之间,但工程上通常直接处理为铰接或刚接。为了提高螺栓连接结构数值仿真的精度,真实反映螺栓连接结构的动态特性,需要根据实验数据... 详细信息

在实际工程中,螺栓连接结构具有简单、可靠、易于拆装等优点而被广泛应用。螺栓连接刚度介于铰接和刚接之间,但工程上通常直接处理为铰接或刚接。为了提高螺栓连接结构数值仿真的精度,真实反映螺栓连接结构的动态特性,需要根据实验数据确定螺栓连接的真实刚度。采用弹簧模拟栓接的半刚度状态,以弹簧刚度为设计变量、以栓接结构整体性能(固有频率、振型或位移)的仿真数据与相应测试数据的误差最小为目标或约束建立优化模型,对栓接结构进行模型修正。由于缺乏实验数据,用指定螺栓连接刚度模型的仿真结果代替实验数据,用不同的螺栓连接刚度的模型作为初始模型,对螺栓连接结构的模型修正方法进行研究。在***&Nastran软件平台上,利用Python语言二次开发了螺栓连接结构的模型修正程序。主要研究内容如下:螺栓连接结构的仿真误差主要来源于螺栓连接刚度的误差,通过模型修正可以获得螺栓连接结构的真实连接刚度,从而提高螺栓连接结构的仿真精度。用六自由度弹簧模拟螺栓连接建立螺栓连接结构的仿真模型,以弹簧连接刚度为设计变量,以数值仿真结果与实验测试结果的残差最小为目标或约束,建立模型修正的优化模型。螺栓连接结构的动力特性主要体现在固有频率(特征值)和振型(特征向量),为了提高模型修正的效率和精度,分别建立了三个模型修正的优化模型。1)以弹簧连接刚度为设计变量,以特征向量的数值仿真结果与实验测试结果的残差最小为目标,以特征值的数值仿真结果与实验测试结果的残差为约束,建立振型目标优化模型。2)以弹簧连接刚度为设计变量,以特征值的数值仿真结果与实验测试结果的残差最小为目标,以特征向量的数值仿真结果与实验测试结果的残差为约束,建立固有频率目标优化模型。3)以弹簧连接刚度为设计变量,以特征值和特征向量的数值仿真结果与相应的实验测试结果残差的加权和最小为目标,建立无约束的综合目标优化模型。通过数值算例对修正结果进行对比分析,分析三个模型的优缺点和适用范围,并得出结论。基于三个模型修正的优化模型,以***软件为求解器,采用Python语言开发了螺栓连接结构的模型修正程序,根据螺栓连接结构的特点选择优化模型。数值算例表明模型修正优化模型的有效性和程序的可靠性。

关键词：结构优化模型修正螺栓连接结构模态分析螺栓连接刚度

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考虑表面接触的涡扇发动机低压转子振动特性

考虑表面接触的涡扇发动机低压转子振动特性

作者：高文栋大连理工大学

学位级别：硕士

先进涡扇发动机低压转子系统一般包括低压风扇转子、套齿联接结构以及低压涡轮转子三部分,其套齿联接结构通过套齿界面、定位界面、螺栓连接界面的接触实现复杂的动力传递,界面接触是一个对界面参数和装配工艺较为敏感的、具有不确定性... 详细信息

先进涡扇发动机低压转子系统一般包括低压风扇转子、套齿联接结构以及低压涡轮转子三部分,其套齿联接结构通过套齿界面、定位界面、螺栓连接界面的接触实现复杂的动力传递,界面接触是一个对界面参数和装配工艺较为敏感的、具有不确定性的微观力学过程。本文以涡扇发动机为研究背景,针对采用套齿连接结构连接的低压转子系统进行动力学研究,主要研究内容和结论如下:(1)针对低压转子系统中的大量接触面,以Hertz接触为基础,考虑粗糙表面微凸体接触变形的连续性,把微凸体变形阶段划分为:初期弹塑性变形、中期弹塑性变形、后期弹塑性变形,建立临界点连续的粗糙表面弹塑性接触模型,仿真表明:所提出的模型与经典的KE和ZMC模型曲线拟合良好,变化趋势一致,并具有临界点连续的优点。(2)由于航空发动机中接触面多采用螺栓连接,且螺栓预紧力会显著影响接触表面接触刚度。建立了典型的螺栓连接实验台,实验发现螺栓连接结构的前六阶固有频率随着螺栓预紧力增大而增大,基于薄层单元理论,采用改变薄层单元弹性模量模拟螺栓预紧力变化,分析获得接触刚度模型。从而实现了通过探索螺栓结构固有频率随着螺栓预紧力的变化来预估粗糙表面接触刚度的变化。(3)对低压转子系统的联轴器——复杂套齿联接结构进行分析,采用获得的螺栓连接状态的接触刚度力学模型,用薄层单元法对螺栓连接、套齿啮合、定位面接触进行等效,实现了复杂套齿连接结构的准确有限元建模。在此基础上,采用有限元模拟了涡扇发动机低压转子系统动力学特性,结果表明,低压转子系统的不平衡响应与不平衡量呈线性关系,随着螺栓预紧扭矩提高,前两阶临界转速和不平衡响应均略有提高。(4)对现有的涡扇发动机低压转子系统模拟实验台进行改造,分别开展固有频率测试、不平衡响应、螺栓预紧力等,结果表明,实验测试固有频率与仿真误差为6.67%;随着不平衡质量增加,不平衡响应近似线性增加;随着螺栓预紧力的增大,不平衡响应非线性增大。从定性角度,仿真和实验测试均表明,随着螺栓扭矩的增加,转子振动响应振幅均有所增加;从定量角度,其误差主要源于初始不平衡质量难以确定、测点位置之间的差异等。综上,主螺母预紧扭矩对于复杂套齿连接的转子系统动力学特性具有一定的影响,在低压转子系统设计时,应合理选择套齿连接结构主螺母预紧力。

关键词：弹塑性变形螺栓连接结构薄层单元法低压转子系统转子动力学

螺栓连接平板稳态热滑移及非连续转子动力学特性研究

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螺栓连接平板稳态热滑移及非连续转子动力学特性研究

作者：于香宇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

螺栓连接结构是非连续结构最为普遍的一种形式,广泛存在于燃气轮机和航空发动机中,由螺栓连接结构热滑移引起各类设备事故的案例不胜枚举,因此研究螺栓连接结构的接触特性是保证连接结构部件强度的基础、是提高旋转机械动力学分析精度... 详细信息

螺栓连接结构是非连续结构最为普遍的一种形式,广泛存在于燃气轮机和航空发动机中,由螺栓连接结构热滑移引起各类设备事故的案例不胜枚举,因此研究螺栓连接结构的接触特性是保证连接结构部件强度的基础、是提高旋转机械动力学分析精度的基础、是确保机械设备安全性和稳定性的基础。基于螺栓连接结构易产生热滑移的现象,从螺栓连接结构的力学接触特性和接触界面的热力耦合传递规律着手,分析了螺栓连接结构产生热滑移的原因,同时分析螺栓连接法兰产生热滑移对非连续转子临界转速和振动响应的影响。本文首先从微观尺度,以单个微凸体为研究对象,分析了粗糙表面间的接触特性,得到了微凸体变形量和与刚性平板的接触面积随加载位移的变化关系,同时结合有限元分析了连接平面接触压力的分布有效区域随相关影响因素的变化规律,并给出了接触压力分布的数学模型。以单螺栓连接平板为分析对象,建立了接触界面稳态下的热力耦合传递模型,分析了接触界面了热力传递随着螺栓预紧力、温度及相关的材料属性的变化规律,得到了考虑热力耦合影响的连接界面接触压力分布规律和稳态下的温度分布规律。以双螺栓连接平板为研究对象,对连接界面产生相对滑移的机理进行分析,建立了连接结构热滑移力学模型,分别分析了均匀温度场和非均匀温度场下双螺栓连接平板热滑移随螺栓预紧力、传热温差和界面摩擦系数的变化规律。以某型航空发动机非连续转子为研究对象,构建转子动力学模型,分析了螺栓连接刚度和连接法兰产生的热滑移对转子的临界转速和振动响应的影响规律。研究结果可以为非连续转子的结构设计和运行过程中的相关振动问题分析提供参考。

关键词：螺栓连接结构接触特性热力耦合传递热滑移非连续转子

螺栓连接对航空发动机静子机匣动力特性影响的研究

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螺栓连接对航空发动机静子机匣动力特性影响的研究

作者：翟学沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

航空发动机一直向着高推重比、大载荷、高转速和高性能性发展。在发动机发展过程中对其动力特性的研究一直是一项重要的课题,其中包括静子机匣的动力特性研究和转子的动力特性研究。影响发动机静子机匣动力特性的因素有很多,本文主要研... 详细信息

航空发动机一直向着高推重比、大载荷、高转速和高性能性发展。在发动机发展过程中对其动力特性的研究一直是一项重要的课题,其中包括静子机匣的动力特性研究和转子的动力特性研究。影响发动机静子机匣动力特性的因素有很多,本文主要研究了螺栓连接对其动力特性的影响。目前,在对发动机整机系统进行动力学特性分析时,一般不考虑螺栓预紧力对其振动模态的影响,而是将螺栓连接结构中的各个部件直接合并成为一个整体,即一体化。这种分析模型无法正确反映螺栓连接结构中的刚性连接和阻尼连接以及螺栓预紧力对其动力学特性的影响,其计算结果与实际情况相差很大,尤其当螺栓数量较多时,更是无法在实际应用中使用。本文基于有限元软件MSC./Patran,首先在螺栓连接结构的接触面处添加层单元,然后利用多点约束技术将螺栓连接结构连接在一起,建立了有限元模型,最后编写相应的程序对层单元材料属性进行优化设计,通过合理定义层单元的材料属性来达到准确模拟螺栓连接结构接触面间实际连接刚度的目的。以航空发动机机匣模型为研究对象,应用该方法对其进行模态计算,并与完全刚性连接的一体化简化模型的模态分析结果以及实验模态分析结果进行比较,研究表明,本文采用的方法计算结果与实验结果吻合较好,且计算量小,为有预紧力作用下的螺栓连接结构的有限元计算提供了准确可靠的计算方法,特别是在对工程中复杂螺栓连接结构的有限元建模和振动模态分析时具有其优越性。

关键词：螺栓连接结构多点约束层单元接触刚度振动模态有限元分析