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金属波纹管刚度的简化有限元分析

润滑与密封 2022年第6期47卷 141-147页

作者：刘达列胡潇毅浙江农林大学光机电工程学院浙江杭州311300

金属波纹管广泛应用于机械密封系统,而刚度是金属波纹管设计的主要性能参数。介绍了利用ANSYS软件的Matrix27刚度单元模拟金属波纹管的方法,通过建立的简化有限元模型分析了金属波纹管的轴向刚度和扭转刚度。相较于波纹管实体模型,简化... 详细信息

金属波纹管广泛应用于机械密封系统,而刚度是金属波纹管设计的主要性能参数。介绍了利用ANSYS软件的Matrix27刚度单元模拟金属波纹管的方法,通过建立的简化有限元模型分析了金属波纹管的轴向刚度和扭转刚度。相较于波纹管实体模型,简化模型的规模和计算量大幅度减少,计算效率得到提高。将简化有限元模型计算所得刚度结果与有限元实体模型计算结果及EJMA工程实际经验公式计算值进行了比较,并利用已有的实验结果进行了验证。其结果吻合良好。该简化模型在研究含有波纹管的整体系统时尤其方便,如对基于整体系统响应的各类波纹管的结构参数优化等具有通用意义,并能有效提高有限元建模及分析效率。

关键词：金属波纹管 Matrix27刚度单元轴向刚度扭转刚度有限元分析

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H型钢连接方钢管混凝土组合柱简化模拟方法

工业建筑 2022年第1期52卷 31-38页

作者：闫翔宇张天柱张希陈志华亢景付天津大学建筑设计规划研究总院有限公司天津300073 天津大学建筑工程学院天津300072 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室(天津大学) 天津300072

为了简化H型钢连接方钢管混凝土组合柱(SCFT柱)的建模计算过程,建立了三种H型钢连接SCFT柱的有限元分析模型,分别为常用的实体单元模型以及基于轴向刚度和抗弯刚度等效的双梁-单壳单元简化分析模型,结合试验结果,进行了压弯状态下的受... 详细信息

为了简化H型钢连接方钢管混凝土组合柱(SCFT柱)的建模计算过程,建立了三种H型钢连接SCFT柱的有限元分析模型,分别为常用的实体单元模型以及基于轴向刚度和抗弯刚度等效的双梁-单壳单元简化分析模型,结合试验结果,进行了压弯状态下的受力性能分析。基于实体模型和根据刚度等效换算的单梁-单壳单元模型、双梁-单壳单元模型,采用通用分析和设计软件MIDAS建立了典型SCFT柱框架,对比了三种模型在不同荷载下的响应。结果表明:三种模型得到的压弯状态下H型钢连接SCFT柱的破坏模式和承载力基本一致,且与试验结果吻合良好,SCFT框架自振特性、层间位移和柱底反力具有一致性,验证了简化分析计算模型结果的准确性,以及运用于结构分析计算的可行性。

关键词： H型钢连接方钢管混凝土组合柱压弯试验轴向刚度抗弯刚度简化模拟方法

推力轴承对水轮发电机组轴系横向振动特性的影响

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动力工程学报 2024年

作者：叶毫阳张万福黄锦辉李春上海市动力工程多相流动与传热重点实验室上海理工大学能源与动力工程学院华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司

建立包含3个导轴承与1个推力轴承联合支承的某300MW水轮发电机组轴系有限元模型，应用有限元方法研究了推力轴承对轴系横向振动的影响，计算分析了推力轴承弯曲刚度和轴向刚度对轴系横向振动的影响，并研究了发电机转子不平衡力与相位... 详细信息

建立包含3个导轴承与1个推力轴承联合支承的某300MW水轮发电机组轴系有限元模型，应用有限元方法研究了推力轴承对轴系横向振动的影响，计算分析了推力轴承弯曲刚度和轴向刚度对轴系横向振动的影响，并研究了发电机转子不平衡力与相位差对轴系振动的影响。结果表明：与不考虑推力轴承相比，考虑推力轴承弯曲刚度时，机组轴系在额定转速下一～三阶固有频率依次增大5.35%、1.89%和1.56%；机组在额定转速下运行，当发电机转子处不平衡力为100kg·m且相位差为180°时，若弯曲刚度取8.2×106N/m，下导轴承、上导轴承、推力轴承与集电装置处横向振幅分别降低约17.44%、6.72%、17.04%和28.76%，当不平衡力为100kg·m且相位差为0°时，若考虑弯曲刚度，各部件横向振幅依次降低约3.31%、2.78%、9.46%和15.01%。

关键词：水轮发电机组推力轴承轴向刚度不平衡力弯曲刚度相位差

基于多层级有限元方法的钢丝网套轴向刚度研究

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强度与环境 2024年第2期51卷 42-51页

作者：陈鼎铭王亚军贺启林方红荣周浩洋北京宇航系统工程研究所深低温技术研究北京市重点实验室北京100076 中国航天电子技术研究院北京100094

航天增压输送管路中广泛应用的钢丝网套具有复杂的非线性力学特性,本文研究了其轴向力学行为机理和仿真建模方法。利用多股并排管状编织结构建模方法建立了网套三维几何模型,基于周期性理论建立了网套细观尺度的柱面编织单胞模型。使用... 详细信息

航天增压输送管路中广泛应用的钢丝网套具有复杂的非线性力学特性,本文研究了其轴向力学行为机理和仿真建模方法。利用多股并排管状编织结构建模方法建立了网套三维几何模型,基于周期性理论建立了网套细观尺度的柱面编织单胞模型。使用单胞模型对网套内部无/有芯轴两种边界下的轴向拉伸工况进行了仿真模拟计算,结果表明两种边界条件下的网套轴向刚度差异极大。在文中,还提出了网套简化分析螺旋梁模型,对比了螺旋梁模型和单胞模型的结果差异,基于刚度等效原则提出了螺旋梁模型的修正方法。仿真算例表明,经过修正后的螺旋梁模型计算得到补偿器加内压后的轴向反力和试验结果一致性较好,相比未修正的螺旋梁模型误差大大降低。螺旋梁模型和修正方法为网套补偿器进一步的力学分析提供了基础。

关键词：管状编织结构轴向刚度周期性边界非线性有限元

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行星滚柱丝杠副刚度特性分析及试验验证

哈尔滨工程大学学报 2019年第5期40卷 967-973页

作者：郭嘉楠何鹏黄洪雁刘占生黄玉平丁伟涛哈尔滨工业大学能源学院黑龙江哈尔滨150001 北京精密机电控制设备研究所北京100076

为了研究行星滚柱丝杠刚度特性对舵机的影响,本文建立了行星滚柱丝杠的刚度模型。采用微分几何方法描述行星滚柱丝杠非标准螺纹的空间曲面特征,基于赫兹接触理论建立了一种行星滚柱丝杠刚度模型;分析了轴向负载、螺纹接触角和滚柱数量... 详细信息

为了研究行星滚柱丝杠刚度特性对舵机的影响,本文建立了行星滚柱丝杠的刚度模型。采用微分几何方法描述行星滚柱丝杠非标准螺纹的空间曲面特征,基于赫兹接触理论建立了一种行星滚柱丝杠刚度模型;分析了轴向负载、螺纹接触角和滚柱数量对行星滚柱丝杠轴向刚度的影响规律,并搭建了行星滚柱丝杠刚度测试试验台,开展了轴向刚度验证试验。研究结果表明:行星滚柱丝杠轴向刚度随着接触角和滚柱数量的增大而增大;在相同负载条件下,接触角度和滚柱数量越大,轴向刚度增加速度越快。试验结果与本文模型的计算结果之间的最大误差为8. 3%,验证了本文所建立的行星滚柱丝杠刚度模型。

关键词：行星滚柱丝杠副传动机构螺纹接触微分几何接触刚度轴向刚度赫兹接触理论

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螺栓球节点的静力及滞回性能研究

空间结构 2022年第2期28卷 45-55页

作者：喻晓晨李会军张晓磊王宇西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 陕煤集团神南产业发展有限公司陕西榆林719300

螺栓球节点广泛应用于网架及双层网壳中,属于典型的半刚性节点.在传统的设计与分析中,常忽略抗弯刚度而将其假设为铰节点,造成结构实际内力与数值计算结果出现偏差,因此有必要研究螺栓球节点的力学性能.利用ABAQUS软件建立了螺栓球节点... 详细信息

螺栓球节点广泛应用于网架及双层网壳中,属于典型的半刚性节点.在传统的设计与分析中,常忽略抗弯刚度而将其假设为铰节点,造成结构实际内力与数值计算结果出现偏差,因此有必要研究螺栓球节点的力学性能.利用ABAQUS软件建立了螺栓球节点的精细化模型,通过与已有试验结果的对比验证了模型的准确性;深入研究了不同参数下螺栓球节点的轴向与抗弯刚度及滞回性能.研究表明:当螺栓球节点受轴向压力作用时,套筒承受大部分作用力,节点的轴压刚度随螺栓直径和套筒厚度的增加而增大;当螺栓球节点受轴向拉力作用时,螺栓及锥头承受大部分作用力,节点的轴拉刚度随螺栓直径和锥头底板厚度的增加而增大;在同一拉弯及压弯应力比下,螺栓球节点在拉弯作用下的极限弯矩值高于压弯作用下的极限弯矩值,而拉弯及压弯作用下节点的初始刚度值相差不大;螺栓球节点的滞回曲线呈饱满的纺锤型,骨架曲线呈典型的“S”型,表明节点具有良好的延性、受力性能及耗能性能.

关键词：螺栓球节点轴向刚度抗弯刚度滞回曲线骨架曲线

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复合载荷下的滚珠丝杠副变形与静刚度分析

复合载荷下的滚珠丝杠副变形与静刚度分析

作者：陈光宇山东大学

学位级别：硕士

随着社会经济建设发展和工业技术进步的需要,市场对数控机床设计制造的要求逐步向着高精度、高可靠性的方向发展。滚珠丝杠副作为数控机床进给系统中主要的高精度传动部件,其受载过程中的变形和刚度性能将直接影响数控机床的精度和可靠... 详细信息

随着社会经济建设发展和工业技术进步的需要,市场对数控机床设计制造的要求逐步向着高精度、高可靠性的方向发展。滚珠丝杠副作为数控机床进给系统中主要的高精度传动部件,其受载过程中的变形和刚度性能将直接影响数控机床的精度和可靠性。因此,对滚珠丝杠副的承载性能机理进行研究,准确地计算和描述滚珠丝杠副在数控机床实际复合受载工况下的变形和刚度变化规律,完善现有的理论建模和求解计算方法,并对实验验证测试方案进行进一步的探究显得尤为迫切。传统的滚珠丝杠副受载变形与静刚度计算主要建立在仅考虑轴向载荷的理想工作条件下,然而装配不当、多向切削力等因素使得滚珠丝杠副实际在数控机床中同时受到轴向和径向复合叠加的载荷,严重影响着承载性能。本文在总结国内外对于滚珠丝杠副滚珠载荷分布建模、轴向静刚度计算以及相关实验测试方法的研究基础上,以数控机床进给系统中双螺母滚珠丝杠副为研究对象,采用机理理论分析、有限元仿真计算和实验验证的方法,围绕复合载荷下滚珠丝杠副变形与静刚度的建模计算和实验方案设计及验证等方面展开研究,主要研究内容如下:(1)建立了复合载荷下滚珠丝杠副的轴向变形位移与静刚度计算模型,揭示了滚珠丝杠副的复合受载变形规律,获得了理论求解复合载荷下滚珠丝杠副变形与静刚度的计算方法。首先,基于Hertz接触理论,建立了滚珠丝杠副复合受载平衡方程。通过分析轴径向复合受载下的双螺母滚珠丝杠副结构特点和受力特性,获得螺母载荷分配关系;其次,考虑轴径向复合载荷和滚珠尺寸误差的影响,计算了工作螺母的全滚珠接触载荷分布,进而建立了滚珠丝杠副轴向变形位移和静刚度计算模型;最后,基于Newton-Raphson迭代法,改进了轴向静刚度求解方法,使用Matlab R2022a对滚珠丝杠副的轴向变形位移和静刚度进行了数值仿真,分析了复合载荷及滚珠尺寸误差对滚珠丝杠副轴向变形位移与静刚度的影响。(2)建立了滚珠丝杠副的复合受载有限元仿真模型,获得了滚珠丝杠副的受载变形仿真结果并与理论模型进行对比,初步验证了理论模型的准确性。首先,基于ANSYS Workbench有限元分析软件和工程实践应用,对滚珠丝杠副模型进行简化,还原实际装配关系,建立有限元仿真模型;其次,对多组轴径向复合载荷下的滚珠丝杠副滚珠载荷分布和变形进行静力学分析,得到每个滚珠的最大等效弹性应力,并换算为法向接触载荷进行汇总分析。对仿真计算结果中螺母相对于丝杠的轴向变形位移进行了统计,换算为轴向静刚度分别与理论模型计算结果对比。结果表明有限元计算结果与理论模型虽略有差距,但其相对误差均位于可接受范围内,初步验证了理论模型的准确性;最后,对螺母端面应变分布云图的主要变形点通过布置应变探针的方式进行观察统计,结果显示螺母端面在竖直方向比水平方向更容易产生危险。(3)搭建了一款新型滚珠丝杠副复合加载实验台,提出滚珠丝杠副受载变形实验方案,进一步验证了理论模型与有限元模型的准确性。首先,设计了一款新型滚珠丝杠副复合加载实验台,可实现对滚珠丝杠副进行可控复合加载的功能,满足了实验要求;其次,基于滚珠丝杠副复合加载实验台,外部配置RenishawXL-80激光干涉仪作为主要测量设备开展滚珠丝杠副复合加载轴向变形位移与静刚度实验。实验结果显示轴向静刚度会随着外部径向载荷的变化出现不同程度的“低刚度区”,外部轴向载荷的增大则有助于克服这一现象。各组数据的相对误差均小于20%,验证了本文理论模型的准确性;最后,设计开展了复合载荷下螺母端面应变实验。在螺母端面布置三个应变片同时记录复合载荷下的各测点Y、Z方向产生的应变,结果显示实验数据与计算结果符合程度较高,证明了有限元模型高准确性,为滚珠丝杠副受载变形求解问题提供了一定的参考。本研究建立了数控机床中复合载荷下的滚珠丝杠副变形与轴向静刚度计算模型,利用有限元仿真结果和实验结果验证了其准确性。研究结果为滚珠丝杠副设计过程中受载性能的评估提供参考,对于提高滚珠丝杠副在现代高端数控机床的设计制造过程中的应用水平有重要意义。

关键词：滚珠丝杠副复合载荷轴向刚度弹性变形有限元法

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航空发动机中“W”形金属密封环的设计方法

航空动力学报 2018年第10期33卷 2305-2314页

作者：申秀丽翟宇北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 先进航空发动机协同创新中心北京100191

针对密封性和强度,对"W"形金属密封环的压缩率选取范围进行研究。在压缩率确定的基础上,优化"W"形金属密封环所在处机匣的轴向间隙,探究"W"形金属密封环关键结构参数对强度的影响,基于灵敏度分析对"W"形金属密封环的结构参数进一步优化... 详细信息

针对密封性和强度,对"W"形金属密封环的压缩率选取范围进行研究。在压缩率确定的基础上,优化"W"形金属密封环所在处机匣的轴向间隙,探究"W"形金属密封环关键结构参数对强度的影响,基于灵敏度分析对"W"形金属密封环的结构参数进一步优化;研究"W"形金属密封环屈曲及轴向刚度间的关系,并采用刚度实验校核模拟结果,为评估屈曲临界载荷提供支持。结果表明:在该典型工况下,"W"形金属密封环的压缩率合理范围为3.2%~6.08%;壁厚对最大等效应力影响最大,最终优化结果为壁厚增大5.0%,波峰、波谷半径增大9.0%,接触半径增大7.7%,圆环外径减小5.8%,最大等效应力减小5.7%;屈曲"W"形金属密封环载荷与轴向刚度线性相关。

关键词： “W”形金属密封环强度结构优化设计灵敏度轴向刚度

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面向组合结构刚度非线性特性的等效模型

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2018年第2期51卷 190-195页

作者：陈宏威向建华左正兴何联格北京理工大学机械与车辆学院北京100081 重庆理工大学车辆工程学院重庆400054

针对组合结构轴向载荷下呈现的刚度非线性特性难以计算的问题,提出了梁-双弹簧等效计算模型,研究了在包含不同材料垫片的组合结构中螺栓预紧力以及部分几何尺寸对轴向刚度非线性特性的影响.结果表明:采用铝合金垫片时,该连接组合结构的... 详细信息

针对组合结构轴向载荷下呈现的刚度非线性特性难以计算的问题,提出了梁-双弹簧等效计算模型,研究了在包含不同材料垫片的组合结构中螺栓预紧力以及部分几何尺寸对轴向刚度非线性特性的影响.结果表明:采用铝合金垫片时,该连接组合结构的非线性特性主要表现为其轴向载荷-位移曲线在拉压状态改变时出现明显拐点;而该结构采用石墨垫片时,位移曲线在拉压阶段分别表现出非线性.相比于垫片厚度,螺栓预紧力、法兰厚度以及螺栓位置对轴向拉压刚度的影响更显著,且影响规律与所受载荷方向、垫片材料属性有关.

关键词：连接组合结构等效模型轴向刚度非线性