螺栓法兰连接结构简化动力学建模及模型参数辨识

螺栓法兰连接结构内含接触、间隙等多种非线性因素,导致该结构的动力学分析变得异常复杂且耗时,构建简化动力学模型是提高计算效率的主要手段之一。把螺栓法兰连接处理为黑盒子,并截取螺栓法兰连接结构的部分竖直部段,以形成"局部连接结构"。获得螺栓法兰连接对接面的接触特性后,采用若干个拉压刚度不同的弹簧阻尼单元对单个螺栓连接进行了简化,进而得到了局部连接结构的简化动力学模型。根据典型动载荷作用下的动力学响应数据,采用力状态映射法对简化动力学模型进行了参数辨识。动力学试验数据表明,螺栓法兰连接结构简化动力学模型的预测误差不超过20%。     

法兰连结结构的振动测试试验分析

利用虚拟仪器LabVIEW软件,针对法兰连接结构振动测试试验,开发具有信号发生(频率可调的伪随机和正弦)、数据采集、谱分析等数据处理功能的分析系统,完成了法兰螺栓连接结构在不同预紧力下的振动试验。通过对试验数据的谱分析、差量分析表明:法兰螺栓连接结构的非线性特性对结构动态响应影响是显著的,各种非线性振动现象明显,信号不对称性表现的尤其突出,且与螺栓的预紧状态密切相关。借助于频谱信息,可判定螺栓松紧的程度,为结构连接状态的诊断提供依据。     

法兰连接爆炸冲击动力响应分析数值模拟

运用LS-DYNA非线性有限元软件,建立了法兰连接结构的三维有限元模型,使用罚函数法实现了法兰盘-螺栓连接-法兰垫的非线性耦合作用,利用温度荷载法实现了螺栓连接结构的预紧力加载,采用ALE多物质流-固耦合算法研究了法兰连接结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应特性,分别研究了法兰连接在爆炸冲击荷载作用下冲击波入射角、螺栓连接预紧力、法兰垫厚度对其结构的影响,并考虑了垫片为金属材料(合金钢)以及非金属材料(橡胶)时的情况。结果表明,法兰盘为法兰连接的主要耗能构件。合金钢法兰垫片受冲击波入射角的影响较小,而螺栓连接则主要受冲击波入射角的影响。法兰盘在高压压缩波的作用下会产生相对于螺栓连接的不均匀压缩变形。厚垫片并非比薄垫片好,适当减小法兰垫片厚度,可以提高法兰结构的抗冲击能力。     

含剪力销(锥)螺栓法兰连接结构弯剪扭耦合振动研究

大型工业装备中的连接结构,往往处于复杂多样的外载荷环境中,其振动特性分析尤为重要。针对含剪力销(锥)的螺栓法兰连接结构的振动特性开展研究,根据该类结构在实际工况中受弯、剪、扭组合作用的特点,建立了两种多自由度的质量-非线性弹簧系统,分别讨论了系统在弯剪组合作用以及扭转作用下的振动特性、耦合关系。在此基础上,研究锥角不同、装配间隙不同对螺栓最大拉力的影响,并给出相应关系图;指出在两种工况下剪力销最佳设计角度区间及相应的装配间隙。     

螺栓连接鼓筒转子结构动力学特性分析

以螺栓连接鼓筒转子为研究对象,基于有限元软件,首先建立了减缩梁-壳-弹簧混合单元模型;其次通过仿真与实验的固有特性对比验证了减缩模型的准确性;最后分析了螺栓个数、螺栓松动、系统转速对螺栓连接鼓筒转子结构结合面的时变刚度和系统的响应特性的影响规律。研究结果表明:螺栓个数、螺栓松动与系统转速对连接结构的时变刚度和响应特性均有一定的影响,随着螺栓个数的增多,结合面连接刚度不断增大,系统的非线性特性不断减弱;螺栓松动导致连接刚度发生较大波动,并且随着松动个数的增多,系统非线性不断增强;随着系统转速的增大,螺栓连接时变刚度增大,但转速越高其刚度波动越大,导致系统非线性增强。     

基于非均匀分布复弹簧单元的螺栓连接薄板结构动力学有限元建模

在创建螺栓连接结构动力学模型时,如何有效地模拟螺栓影响区对结构动力学特性的贡献至关重要。提出用非均匀分布复弹簧单元来模拟螺栓影响区力学特性,在此基础上针对一种螺栓连接薄板结构建立有限元模型并对其进行线性动力学分析。在确定螺栓影响区面积的基础上,分别假定了三种刚度非均匀分布的复弹簧单元来模拟螺栓结合部的力学特性,并提出用反推辨识技术确定复弹簧单元刚度及阻尼参数的方法。通过自编有限元程序创建了螺栓连接薄板结构线性动力学分析模型,重点描述了将非均匀分布复弹簧单元引入连接薄板动力学方程的方法。最后,以一个具体的螺栓连接薄板结构为对象进行了实例研究,结果表明:用所创建的有限元模型计算获得的固有频率、模态振型以及频响函数值与实测值均较为接近,从而证明了用非均匀分布复弹簧单元模拟螺栓影响区进而实施有限元建模可实现较高的仿真计算精度。     

含螺栓连接转子系统非线性振动特性研究

针对航空发动机转子大量采用的螺栓法兰连接,建立了连接结构的力学模型,定性给出了两段转子在相对弯曲时连接部位弯矩的分段线性参数化模型。应用状态空间理论和数值计算方法对一个含螺栓连接的转子系统进行了数值模拟,研究其模态特性和稳态动力学响应。研究表明,分段线性变化连接刚度对中转速段尤其是二阶临界转速附近的模态和稳态动力学响应产生较大影响,而转子系统在低速段和高速段保持相对稳定的、可线性化的运动。分析了预紧力对转子运动特性的影响,发现预紧力对转子系统运动稳定性影响显著,在一定范围内增大预紧力会使系统不稳定加剧,但会缩短不稳定运动的区间范围。     

螺栓法兰连接结构的振动仿真分析

利用ANSYS动力学分析软件建立了螺栓法兰连接结构的1/8循环对称三维非线性有限元模型,在正弦激励下对三种不同预紧力矩情况下的模型进行了瞬态动力学分析。通过ANSYS后处理对稳态响应位移信号进行微分处理得出了螺栓附近法兰上下对应节点加速度信号以及差值信号,与实验数据进行对比验证,得出预紧程度与信号的相互关系,确定所建有限元模型是可靠的。     

典型螺栓连接界面轴向动态特性的不确定性研究

工程结构中普遍存在螺栓连接,其中螺栓连接界面的非线性与不确定性是其两个重要特性,该研究针对某典型螺栓连接界面轴向动态特性的不确定性开展研究。通过结构不同次装配工况的正弦振动试验,获得了系统轴向振动固有频率与模态阻尼比的不确定性。采用薄层单元建立螺栓连接结合面模型,基于薄层单元弹性模量、泊松比与连接系统固有频率的关系,以及薄层单元材料损耗因子与模态阻尼比的关系,再结合基于主成分分析(PCA)的不确定性有限元模型修正方法,利用螺栓连接系统的不确定性研究试验结果,对薄层单元的弹性模量、泊松比及材料损耗因子区间进行了识别。识别得到的螺栓连接轴向固有频率与模态阻尼比区间与试验结果区间吻合较好,研究结果为类似螺栓连接结构结合面动力学建模及其不确定性研究提供了新方法。     

含串联非线性能量汇的整星系统吸振效果研究EI北大核心CSCD

为了改善卫星在发射阶段的动力学环境,通过在卫星适配器结构中引入非线性能量汇装置,将其与卫星主结构耦合,实现整星系统的振动抑制。对于耦合后的整星等效集中质量模型,考虑了非线性能量汇装置所受重力对非线性弹簧恢复力的影响,并利用四阶龙格库塔法求出整星系统在谐波激励和冲击激励下的振动响应,结果表明考虑重力情况较未考虑重力更加精确,振动响应幅值偏小。为了在不改变原整星系统固有频率的基础上进一步提升非线性能量汇装置的消振效率,采用具有二级串联结构的等质量非线性能量汇装置,并基于靶向能量传递理论对其非线性刚度参数进行优化,分析结果表明引入串联非线性能量汇结构较单级结构在冲击激励下能获得更好的减振效果。     

一种锥形节流阀工作过程流-固耦合动力学响应的影响因素分析

基于三维流-固耦合有限元动力学仿真分析模型和直接耦合算法,分析了一种锥形节流阀在入口流速脉冲激励下由关闭状态开启而后重新关闭全过程的流量特性、压差特性及阀门开度的高频波动等非线性动力学响应特性,并采用小波分析方法等对阀门开度响应等进行了时-频域分析。选择不同的流体-结构模型的数值积分方法组合及时间步长对流-固耦合动力学求解算法进行了实际应用检验;然后对阀芯质量、弹簧参数与油液参数等系统参数以及激励速度幅值与脉宽等激励参数对其工作过程动力学响应的影响进行了细致的数值分析比较。结果表明:流体模型积分算法的选择对流-固耦合计算结果的影响较大;对该阀而言,阀芯质量与油液体积弹性模量的改变对阀芯振动频率的影响较为显著,油液粘度的改变对阀门开启的滞后量及振动相位的影响较大,而弹簧刚度及预紧力的改变对阀门的最大稳定开度的影响较大;阀芯与阀座间的碰撞使阀芯的振动频率提高。     

含摩擦与间隙的失谐叶盘系统振动局部化研究

 针对叶片榫头与轮盘榫槽连接处间隙及摩擦,基于叶盘结构典型集中参数模型,建立含干摩擦、间隙的非线性动力学方程,研究失谐叶盘系统振动局部化。在叶身刚度随机失谐下分析叶盘系统对不同耦合刚度的固有特性及共振响应。结果表明,非线性谐调叶盘系统亦出现振动局部化现象。利用振幅放大系数对线性、非线性失谐叶盘系统振动响应局部化研究,振幅放大系数呈失谐阈值现象,且非线性干摩擦、间隙作用会降低失谐系统振动响应局部化程度。而谐调叶盘系统非线性振动,随气流激励力频率变化,系统呈非简谐单周期运动、多周期谐波运动、混沌运动等多种动力学行为。失谐因素存在会使非线性失谐叶盘系统动力学行为更复杂。     

正交面齿轮传动系统非线性振动特性研究

作为一种新型传动形式,面齿轮传动在高速大功率场合的应用越来越多,其非线性振动特性分析对提高其工作可靠性具有重要意义。为研究正交面齿轮传动系统的非线性动力学特性,建立了包含支承、齿侧间隙、时变啮合刚度、综合传动误差、阻尼和外激励等参数的系统弯-扭耦合动力学模型,并使用PNF(Poincaré-Newton-Floquet)方法对系统的动力学微分方程进行求解。计算结果表明：随着转速增大,系统呈现混沌-周期-混沌的运动特征,不同的混沌区域间存在周期窗口;在不同的参数条件下系统会出现4种动态响应,即简谐响应、次谐波响应、拟周期响应及混沌响应;不同的响应特性对应的动载系数幅值差别非常大,应尽量调节系统转速,使系统的动态响应保持在周期窗口内。     

弹性地基上间断中厚矩形板的非线性振动

研究了弹性地基上带传力杆的间断中厚矩形板结构的非线性振动特性。荷载在传力杆中的传递由竖向弹簧模拟，其弹簧刚度取决于传力杆的特性以及杆与板间的相互作用。根据能量变分原理，考虑地基耦合效应，建立了双参数地基上带传力杆的间断矩形中厚板的非线性运动控制方程。应用伽辽金法和谐波平衡法对该组非线性方程进行了求解。在算例中，讨论了传力杆参数、板的结构参数以及地基参数对中厚矩形板的非线性自由振动特性的影响。     

基于振型转换的螺栓连接梁非线性振动研究

以一端固支一端带螺栓连接的梁为对象,采用Iwan模型对螺栓连接的非线性力学特性——迟滞非线性进行建模,基于振型转换的思想,利用相对振型转换法处理了迟滞边界条件引起的非线性振型之间的转换,研究了螺栓连接非线性对梁受迫振动响应的影响。通过梁端点的幅频响应图,讨论了振型之间的耦合、Jenkin's单元的个数、激励力幅值、模态阻尼及螺栓连接刚度对梁端点响应的影响。结果表明,新方法在处理带迟滞非线性边界的连续体振动问题时,具有良好的收敛性;迟滞非线性对系统响应影响有限,在指定的扫频区间仅表现出单周期运动,以及弱频率漂移现象;带迟滞非线性边界条件梁的各参数中,频率漂移的程度对螺栓刚度的大小较敏感。     

冲击荷载下级间螺栓法兰连接结构失效实验与数值仿真研究

基于火箭(导弹)级间螺栓法兰连接结构简化的原理性实验件,利用Abaqus有限元模型设计并进行了落锤冲击失效实验。实验采集了螺栓力时程响应数据、落锤冲击力和冲击速度、柱段关键点应力时程响应数据和连接界面开缝位移时程响应数据。实验结果表明,横向冲击荷载作用下连接结构螺栓组呈序列失效特点,螺栓分布面上半部分三个螺栓为初始承载失效螺栓,决定连接结构工作强度,实验数据与仿真模型数据对比表明仿真模型具有良好的计算精度。研究结果可为箭(弹)体连接结构抗冲击强度设计提供参考。     

一种针对含非线性子结构多点耦合运输包装系统的解耦方法

目的 考虑到运输包装系统耦合形式复杂,包装材料及包装结构具有非线性特性,不容易测量局部物理参数,需要对传统逆向子结构方法进行优化,使之能够求解非线性多点耦合系统中子结构的动态响应特性。方法 使用描述函数法将非线性的运输包装系统线性化,测量其在若干特定振动幅值下的频率响应函数;之后,应用逆向子结构方法和参数识别方法,计算包装件的模态参数;最后,拟合包装件模态参数与振动幅值之间的关系,构建函数来描述包装件的动态响应特性。结果 在集总参数模型中,解耦预测值与实际值吻合;在有限元模型中,对响应峰值的预测误差小于5%,对响应跳跃现象所在频率的预测误差小于3%。结论 该研究将传统逆向子结构方法的应用范围拓展到了非线性多点耦合系统,对复杂运输包装系统动力学模型的构建和防振包装的设计具有指导意义。     

Duffing振子激励下平板声振特性研究

针对非线性振动激励下结构声辐射问题,由变分原理导出Duffing振子激励下平板声振耦合动力学方程,由模态展开法及增量谐波平衡法导出轻流体中耦合动力学方程的近似解析解,给出多频激励下平板表面平均振速及辐射声功率表达式,研究激励力频率、非线性项对系统振动及声辐射特性影响。结果表明,Duffing振子激励下平板的声振耦合问题为含离散与连续系统的复杂动力学问题;耦合运动下Duffing振子出现二次跳跃现象与新的共振特性;平板声振特性主要由三次谐波决定。研究结果可为隔振结构的声振设计提供理论依据。     

连接局部迟滞非线性的时频域动力学降阶方法

针对连接结构时域和频域的非线性振动问题,提出一种基于局部非线性转化的动力学降阶方法。采用Newmark法和多谐波平衡法分别将时域和频域的非线性动力学方程转化为非线性代数方程组,将整体结构的非线性动力学响应降阶到仅与连接非线性相关的自由度上进行求解,通过减小迭代过程中Jacobian矩阵的维数来提高计算效率。采用Iwan模型描述连接界面的局部迟滞非线性,利用三自由度质量弹簧振子和连接梁结构研究非线性动力学分析方法的计算精度和效率。结果表明,本文建立的降阶方法预测的非线性动力学响应与现有的未降价方法吻合较好,提出的非线性动力学降阶方法能够有效地减少迭代过程的计算耗费,提高计算效率,时域方法约提高30%,频域方法提高近70倍。     

人车路耦合系统的非线性振动特性及试验研究

为了解决车辆行驶中产生的复杂非线性振动响应问题,建立三自由度人车路耦合非线性动力学模型。基于扭转几何变形非线性特征,利用拉格朗日方程推导出三自由度人车路耦合非线性振动方程,该方程中的正弦和余弦函数项来源于几何非线性扭转变形。针对自由振动,给出非线性恢复力曲面、势能曲面及固有频率解析表达式。针对强迫振动,运用数值仿真方法分析车辆质量、转动惯量、乘客质量、座椅刚度/阻尼、悬架刚度/阻尼、阻尼、质心位置、路面波长及波幅等系统参数对振幅速度响应曲线的影响。搭建人车路耦合振动系统的实验平台,通过振动实验结果验证理论分析与数值结果的可靠性。研究结果表明：该三自由度非线性动力学耦合系统可精确描述人车路耦合系统的响应特性,合理选择系统参数能够有效减小振动响应幅值和提升乘坐舒适性。