基于多尺度理论的栓接结合部动力学建模

建立准确的栓接结合部接触刚度模型对预测数控机床的动态特性至关重要。本文提出了一种基于多尺度理论的栓接结合部刚度模型,首先使用一系列叠加的三维正弦波来描述粗糙接触表面多尺度特性,每个正弦波被认为是一层频率级,推导出接触面积比与频率级的函数关系,则整体刚度可以看作不同频率级串联的弹簧模型。然后,通过数值仿真分析了结合面法向接触载荷、材料特性参数以及多尺度参数对接触刚度模型的影响。最后,设计分段梁结构进行试验验证本文模型的准确性,通过力锤敲击试验获得栓接结合部在等同预紧力下的固有频率和振型,并与仿真结果对比,结果表明本文多尺度模型固有频率与试验频率之间的相对误差小于9.94%,表明多尺度模型可以有效地预测数控机床的动态特性。     

不同预紧力下栓接结合部法向等效特性

为了充分体现栓接结合部法向动态特性,将模型等效为匀质杆,并利用整体结构的边界条件、位移相容条件和作用力平衡条件建立栓接结合部法向等效动力学模型;然后,通过模态实验获得整体结构在不同预紧力下的一阶固有频率和阻尼比,辨识出在不同预紧力下栓接结合部等效刚度与阻尼的变化规律;最后,利用ANSYS有限元软件建立含有栓接结合部的整体结构模型,并与实验获得的整体结构一阶固有频率和振型进行比较,最大误差仅为4.73%,从而验证了该方法的正确性.同时,研究发现:随着预紧力的增加,等效刚度和阻尼也随着增加,当预紧力达到一定时,等效刚度和阻尼参数的变化趋势逐渐减小,并且结合部对整体结构的影响很大,尤其是在预紧力较低的情况下结合部的特性对整体性能影响更大.     

PVA固结磨具研磨硬磁盘基片的接触压强分布

目的为了获得铝质硬磁盘基片研磨过程中的接触压强分布对基片平面度的影响规律.方法建立了铝质硬磁盘基片使用PVA固结模料磨具研磨过程的接触力学模型和边界条件.利用有限元的方法对接触压强分布进行了计算和分析,并利用研磨实验对计算获得结果进行了验证.结果获得了研磨过程的磁盘基片与PVA磨具间的接触表面压强分布形态,以及PVA固结磨具的几何和物理参数对压强分布的影响规律,确定了接触压强分布形态是产生磁盘基片平面度误差的重要因素之一.结论接触压强的分布是不均匀,在基片的内径和外径邻域内接触压强增大,导致材料去除率增大,使被加工基片产生平面度误差.选择合理地PVA磨块弹性模量与较小的PVA磨块厚度,可以接触表面压强场分布趋向均匀,从而改善磁盘有效区域的平面度.     

单晶硅片的区域载荷法平坦化抛光

基于弹性力学的圆板接触理论，分析了在抛光过程中硅片与抛光垫之间的接触压强分布与被抛光硅片的平面度误差的关系，提出了使用区域加载的方法来均等硅片抛光表面的接触压强，并进行了抛光试验，获得了平面度误差小于0．33μm的单晶硅片。这个研究为单晶硅片的集成平坦化抛光提供了一种新的方式。     

粗糙表面接触问题的数值计算研究

基于Ausloos和Berman提出的推广的W-M函数对具有不同粗糙度参数的分形表面进行仿真模拟.同时,基于前人的理论研究,在模拟的分形粗糙表面基础上建立了微尺度粘着弹塑性接触模型.通过数值模拟,得到了给定条件下各个微凸体上的载荷、真实接触面积、接触斑点尺寸和平均接触压力的分布情况.建立的模型考虑各个微凸体具有不同的峰顶曲率半径,当变形足够大时考虑微凸体间的相互作用,因而较前人建立的模型更符合工程实际,同时也对与分形特征相关的摩擦学模型的进一步研究具有一定的指导作用.     

高强栓接结构对分段式重载横梁动态特性的影响

针对高强栓接连接的超跨距分段式横梁与整体式横梁,以某机床厂生产的重型龙门数控机床三段式栓接重载横梁为研究对象,在横梁3种安装方式下分别对其进行动力学实验,并且利用三维建模软件与有限元软件对相应的整体式横梁进行了建模与分析.通过对照测试结果与分析结果,探究了栓接结合部对横梁动态特性的影响.结果表明:分段式横梁在3种情况下的动力学特性与整体式横梁并无显著差别,横梁栓接结合部对横梁动力学特性的影响较小.     

基于虚拟梯度材料的螺栓结合面建模方法

为准确分析螺栓连接件的动态性能,提出了一种基于虚拟梯度材料的螺栓结合面建模方法。将螺栓连接结合部等效为一种局部的虚拟梯度材料,虚拟梯度材料与被连接件皆为固定连接。通过有限元方法获得了螺栓连接结合面的接触压强分布情况,在此基础上,应用胡克定律,推导了虚拟梯度材料的弹性常量与径向位置之间的关系。采用分层法建立了基于虚拟梯度材料的螺栓结合面有限元分析模型,分别获取了固结、传统虚拟材料与虚拟梯度材料结合面表征下试件的理论模态,并开展模态实验,从振型和固有频率两方面进行了对比分析,验证了本文虚拟梯度材料建模方法的有效性。结果表明:虚拟梯度材料模型的模态与实验模态的前6阶振型一致,前6阶固有频率的相对误差数值都在10%以内,建模精度高。     

超声速气固两相流在不同压强比下的数值模拟研究

使用FLUENT中的DPM(离散相)模型对不同压强比下的气固两相流在超声速喷管中的流动、分布等情况进行了数值模拟研究.结果显示:两相流在喷管壁上的压力分布波动较大;在较小压强比条件下,固体颗粒的速度分布较均匀;当压强比增加时,固体颗粒的速度分布在径向上呈中间高,边界低的曲线状;大的压强比能获得较高的颗粒速度和激波强度.     

耦合结合面特性的重型数控龙门机床的建模

针对重型数控龙门机床中存在的大型结合面,提出了一种结合面建模的新方法.该方法基于有限元理论,对结构件和结合面分别进行建模.在结构件建模中将连续体有限元离散,在2个结构件结合面处划分足够密集且一一对应的单元和节点;在结合面建模中,采用2节点12自由度的单元对2个结构件结合面一一对应的节点进行连接,建立了2个子结构结合面处节点间拉伸、压缩与扭转关系的结合部空间单元模型,完成了结合部建模和子结构模型耦合.利用该方法并基于HYPERMESH和ANSYS软件实现了耦合结合面特性的某重型数控龙门机床的建模和分析.与忽略结合面特性的机床模型进行仿真分析和实验测试数据对比,验证了耦合结合面特性建模方法的有效性,解决了耦合结合面特性的龙门机床建模问题.     

尺度相关的分形粗糙表面弹塑性接触力学模型

依据分形理论,研究了粗糙表面间的真实接触状况,建立了粗糙表面间的分形接触模型。考虑微凸体的等级,确定了弹性临界等级、第一弹塑性临界等级和第二弹塑性临界等级的表达式,研究了粗糙表面中单个微凸体的弹性、弹塑性及完全塑性变形的存在条件,推导出各个等级微凸体的临界接触面积的解析式。在此基础上应用微凸体的面积分布密度函数,获得了接触表面上接触载荷与真实接触面积之间的关系。计算结果表明:单个微凸体的临界接触面积是和微凸体的尺度相关,随着微凸体等级的增大而减小;微凸体的变形顺序为弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形,与传统的接触模型一致;在整个粗糙表面接触过程中,粗糙表面变形过程与单个微凸体的变形过程一致;最大微凸体所处的等级范围不同,粗糙表面所表现的力学性能也不相同。     

单搭胶/螺栓混合连接结构的应力分布与载荷分配

针对平衡单搭胶/螺栓混合连接结构及其对应胶连接、螺栓连接结构,通过逐步构建其各自对应的精确三维有限元分析模型的方法对比分析了三种连接结构的应力分布。首先构建了胶连接分析模型,其胶层应力计算结果与采用已有文献理论分析模型计算结果比较吻合,验证了计算模型的准确性;在上述模型基础上继而构建了胶/螺栓混合连接分析模型,对比分析了采用两种胶材料的混合连接相对于对应单种胶连接层应力分布的变化,并计算了混合连接胶层与螺栓的承载比例,发现采用酚醛树脂胶的混合连接与对应胶连接胶层应力分布几近一致,螺栓分载很少,而采用丙烯酸酯胶的混合连接胶层剪切应力得到极大程度降低且螺栓得到了较大分载;最后构建了混合连接对应的螺栓连接分析模型,比较了两者应力水平和应力集中程度,发现前者明显低于后者,混合连接胶层的加入有缓解连接孔边应力集中的作用。提出混合连接可采用低模量胶材料以使胶层与螺栓共同分载,从而达到比传统连接方式更好的连接性能。     

螺栓被连接件刚度的解析计算

基于三维轴对称模型的弹性理论方法对螺栓连接中被连接件进行了建模,用均匀分布的环形力来模拟螺栓头部对被连接件的作用力,给出了被连接件的刚度的理论解析.实例计算结果表明:提出的计算方法具有较高的精度.得到的被连接件刚度计算方法不需要进行太复杂的运算,适合螺纹连接设计中较为准确地计算被连接间的刚度,具有较好的工程实用性.基于三维弹性理论解析解的方法对被连接件的刚度进行求解,不需假设应力分布,也不需要对最佳的半锥角进行实验或有限元统计.     

悬臂梁结合面建模与接触刚度参数识别

基于有限单元法,将结合面简化为一系列包含接触刚度的参数单元,建立了包含结合面的悬臂梁实验模型的有限元模型。根据实验测试所获得的前两阶固有频率,结合所建立的接触刚度参数优化识别的目标函数,利用MATLAB优化工具箱,对结合面在不同面压下的法向接触刚度参数进行了优化识别,获得了不同面压条件下单位结合面上的法向接触刚度参数值,从而为下一步的理论计算与实际应用奠定了基础。     

Cu基粉末冶金摩擦元件接触压力仿真与试验

为准确获得摩擦副接触压力在Cu基粉末冶金摩擦片接合过程中的动态分布情况,简化离合器结构,建立Cu基粉末冶金摩擦结构压力仿真分析3-D有限元模型,获得摩擦元件接触压力分布结果,并分析造成径向和周向压力不均的主要原因.为进一步验证压力仿真的准确性,并确定摩擦元件滑摩状态下的接触压力动态变化,设计并实现了通过应变测量间接反推获得摩擦元件接触压力的动态测试试验.进行各个测量点的标定并绘制标定曲线,完成应变值的采集.仿真和试验结果表明:摩擦副的径向和周向均存在接触压力分布不均的现象;径向压力分布关系主要受加载结构影响;周向分布关系的主要影响因素为弹性模量、沟槽结构和表面不平度等;摩擦副滑动过程中接触表面动态压力分析表明,接触压力动态测量曲线有明显的周期波动,随着外载荷的增加,接触压力总是趋向于更加均匀的分布状态.     

节理形态及吻合度对应力波传播影响试验

为探讨节理形态及其吻合程度对应力波传播的影响,分析不同节理吻合系数JMC及其几何分布对节理的动态力学特性和应力波衰减规律的影响,试验采用水泥砂浆材料制备圆柱体试样模拟岩石试样,通过将圆柱体一端面分割为不同数量的扇形凹面来量化描述节理分布形态,同时对两个节理分布形态相同的试样旋转不同角度获得不同节理接触面积的组合试样.分离式霍普金森压杆(SHPB)冲击试验结果表明:当组合试样的节理分布形态相同时,试样应力-应变曲线在加载段的非线性随节理接触面积减小逐渐增大,这反映了节理接触面积越小节理对试样加载初期的力学响应越明显;同样在组合试样的节理分布形态相同时,应力波透射系数和节理等效刚度均随节理接触面积增大呈线性增大;当组合试样的节理接触面积相同时,节理接触面几何分布越分散(扇形凹面数量越多)应力波透射系数和等效刚度越大,而且接触面积越大几何分布形态作用影响愈明显.     

飞机大部件调姿机构磨损预测模型的构建与仿真

针对飞机大部件调姿机构球铰磨损量预测问题,提出一种含间隙的球铰磨损模型.根据球铰的几何结构构建运动学模型;采用含迟滞阻尼系数的连续接触力模型与改进Coulomb摩擦力模型建立球铰的动力学模型;结合Archard方程建立球铰的磨损模型.为了能够获得接触表面的磨损分布情况,将磨损表面离散,借助Hertz接触理论计算接触力的分布,并以离散后的单张曲面为单元分别计算与保存单张曲面磨损量.针对一种四定位器的调姿机构,模拟调姿过程进行仿真计算,结果显示：单个球头表面磨损分布并不均衡,4个球头之间的磨损分布情况类似,但是磨损量存在一定的差异.该磨损模型能够用于调姿机构寿命的预测,并对调姿机构的机械设计提供参考.     

燃机端面齿联轴器刚度特性参数化建模与实验

为研究刚度特性对重型燃机端面齿联轴器工作行为的影响,构建端面齿联轴器刚度分析参数化模型,对端面齿接触压力、扭转刚度、压缩变形等重要参数进行计算分析.采用有限元方法研究联轴器结构变形与刚度的变化规律.用实验装置对联轴器的变形和刚度进行了直接测试,刚度模型计算结果与有限元结果以及实验结果吻合较好.研究结果表明:螺栓预紧过程中端面齿及轮盘圆柱发生了不同程度的扭转,导致联轴器各部件刚度特性各有不同,其中端面齿压缩刚度随预紧力增大明显增大,而其它部件的刚度略微减小.由于扭转的存在,端面齿联轴器在变形、刚度变化规律、接触应力及接触状态等特征上有别于一般的联轴器.     

Bolt Design of Ceramic Matrix Composite and Superalloy Bolted Joint Based on Damage Failure Load

瞬态热载荷下陶瓷基复合材料螺栓连接结构热应力及装配参数演化

吕超¹,赵淑媛^2*,李正禹²,蒲泽良²,董江龙²,孙新杨³,张文娇⁴

（1.中国航天空气动力技术研究院,北京 100074;2．哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室,哈尔滨 150080; 3．哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001;4．东北农业大学 工程学院,哈尔滨 150030）

创新点说明：

基于有限元软件ABAQUS对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构的单轴拉伸性能进行渐进损伤分析,研究了螺钉几何参数对陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构拉伸性能及失效行为的影响规律,并给出了连接结构失效载荷最大时的螺钉尺寸参数。

研究目的：

陶瓷基复合材料由于其耐高温、耐磨、抗高温蠕变、导热系数和热膨胀系数较低等特点,逐渐在飞行器热结构上得到广泛的应用。在飞行器结构中,陶瓷基复合材料常常不可避免的与金属件组成连接结构。螺钉的尺寸参数显著影响陶瓷基复合材料螺栓连接结构承载能力,对螺钉的几何尺寸进行设计对提高陶瓷基复合材料-金属螺栓连接结构的承载能力具有重要意义。

研究方法：

针对2D编织C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金GH4169组成的螺栓连接结构,利用UMAT子程序将材料模型嵌入到ABAQUS有限元模型中建立了单钉单搭接螺栓连接结构的渐进损伤分析方法。基于已建立的C/SiC陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构的有限元模型,研究六角凸头螺钉的螺钉直径、钉头直径及钉头高度对于连接结构孔周应力分布、拉伸强度以及破坏方式的影响情况,讨论给出承载能力最大的螺钉最优几何参数。

研究结果：

C/SiC陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构的刚度随螺钉直径的增加小幅下降,受钉头直径与厚度的影响较小。在给定的螺钉直径、钉头直径及钉头厚度参数范围内,连接结构的拉伸强度均先随各参数的增加而增大而后降低,当螺钉直径为5mm,钉头直径为9.5mm,钉头厚度为2.8mm时室温最终失效载荷达到最大。

结论：

本研究基于ABAQUS有限元软件对2D编织C/SiC陶瓷基复合材料-高温合金进行有限元渐进损伤模拟分析,讨论螺钉尺寸参数对于连接结构拉伸性能的影响规律,为陶瓷基复合材料机械连接结构的工程应用提供设计分析基础及指导。

关键词：2D C/SiC陶瓷基复合材料;渐进损伤分析;拉伸性能;螺钉连接;螺钉参数

     

基于分形理论多孔含油介质结合面动态刚度研究

将含油结合面刚度分为固体接触刚度和液体油膜动态刚度2个部分,且2个部分为并联连接.利用接触分形理论,建立含油结合面固体法向接触刚度和结合面实际固体接触面积的关系模型;在此基础上,结合面间充满油的面积即为名义接触面积和固体实际接触面积之差,利用平均流动的广义雷诺方程,建立多孔含油材料固定结合面液体油膜法向动态刚度模型;两者并联即可获得含油结合面综合动态刚度模型.通过仿真计算和前期试验结果对比,验证该建模方法的正确性.研究表明:结合面间加入润滑油介质可以有效地提高结合面刚度;而利用多孔含油材料,即自润滑材料,是实现在结合面间加油的有效方案.