【摘 要】
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螺栓联接几乎应用在所有的机械装备中,其主要作用是将两个构件联接在一起,并通过螺栓预紧力确保联接结构具有一定的强度和刚度。一般情况下,将构件联接作用的区域以及螺栓联接统称为螺栓搭接结构的结合部。在机械装备中,结合部的联接强度是整机中最薄弱的环节之一,也是整机运行过程中阻尼的主要来源。为了研究结合部的刚度、阻尼等参数,本文以单螺栓和多螺栓搭接梁为研究对象,研究不同预紧力和不同切向载荷作用下螺栓结合部的
【基金项目】
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中央高校基本科研业务费专项资金资助(编号:N170308028);
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螺栓联接几乎应用在所有的机械装备中,其主要作用是将两个构件联接在一起,并通过螺栓预紧力确保联接结构具有一定的强度和刚度。一般情况下,将构件联接作用的区域以及螺栓联接统称为螺栓搭接结构的结合部。在机械装备中,结合部的联接强度是整机中最薄弱的环节之一,也是整机运行过程中阻尼的主要来源。为了研究结合部的刚度、阻尼等参数,本文以单螺栓和多螺栓搭接梁为研究对象,研究不同预紧力和不同切向载荷作用下螺栓结合部的静力学建模方法以及迟滞特性,具体的研究内容分为如下四个部分:(1)以单螺栓和多螺栓搭接梁为研究对象,进行螺栓结合部的迟滞行为测试以及结合部参数的辨识。首先,利用岛津疲劳试验机对螺栓结构进行准静态拉伸实验,通过改变预紧力顺序和大小、准静态拉伸载荷位移幅值来获得不同条件下的迟滞特性曲线。接着,通过迟滞特性曲线提出结合部刚度和阻尼的辨识方法,并应用该方法式辨识由实验所得到的结合部的刚度和阻尼参数,进而得到不同外部因素对结合部刚度和阻尼的影响规律。(2)为了证明第一部分通过实验条件得到的结合部刚度和阻尼参数的有效性,本部分首先采用ANSYS软件,对螺栓搭接结构进行三维有限元建模,模拟相同条件下螺栓结合部的状态变化。在结合部建模的过程中,考虑了不同参数对结合面相互作用的影响,以便获得与真实状态相一致的受力状态的变化。接着,利用结合部参数辨识方法得到有限元模型中的结合部的刚度和阻尼参数。最后,对比实验和有限元方法得到的结合部刚度和损耗因子,证明实验和有限元建模方法的有效性。(3)为了得到螺栓结合部在受到切向位移载荷变化时的受力状态以及结合部参数对载荷位移曲线的影响,提出了螺栓搭接结构的弹簧-质量单元分析模型。这种模型将螺栓结构等效成为固定的集中质量和弹簧的串并联联接,并通过解析计算的方法得到每个质量和刚度的大小。根据受力情况列出系统的静力学方程,进而可以得到系统的刚度矩阵和力向量。与此同时,通过该方法可以高效地建立螺栓搭接梁模型,并且计算速度远高于有限元建模方法,从而以小的计算代价得到所期望的计算结果。(4)为了能够揭示结合部的非线性行为以及螺栓结合部的迟滞行为特性,需要在所建立的模型中引入非线性元件。因此,本部分提出了基于弹簧-阻尼的Iwan模型来建立螺栓结合部的简化分析模型。通过简化的分析模型,可以获得更加简单的螺栓迟滞特性和非线性模型的建立方法。与此同时,通过该模型,可以更加准确清楚地分析结合面间的作用机理以及结合部的非线性行为,为后续的力学分析奠定了基础。本文关于螺栓结合部建模方法以及迟滞特性的研究内容可为后续关于螺栓联接结合部的动力学问题提供理论基础,也可为具有螺栓结合部的装配提供一定的理论指导。
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