连接界面黏滑摩擦模型参数辨识研究

连接界面的非线性黏滑摩擦行为对结构的动力学响应有重要影响。基于描述界面多尺度黏滑摩擦行为的Iwan模型建模连接刚度和阻尼的非线性特性,利用连接结构的幅变非线性动力响应时程信息,提取响应包络作为特征参量,构造用于模型参数辨识的多层前馈神经网络,并分别以含非线性连接的集总参数系统和螺栓搭接梁结构为对象,进行数值和实验验证。结果表明,该方法所提取的特征量和构造的神经网络能够有效地应用于连接界面非线性黏滑摩擦模型参数的辨识,且具有简单、精度高和对噪声有一定鲁棒性的优点。     

基于修正Iwan模型的螺栓结合面非线性建模研究

准确建立高保真的螺栓结合面非线性力学模型是分析高端装备的前提和基础。针对螺栓结合面的迟滞非线性力学问题,提出了一种修正Iwan模型的力学建模方法,使得传统唯象的Iwan模型各参数物理意义更加明确。首先,根据多尺度理论和数理统计方法,建立了具有连续光滑接触特性的结合面法向接触模型;然后,通过考虑动态和静态摩擦因数的差异并利用库仑摩擦定律,将修正后的Iwan唯象模型与具体的法向接触模型联系起来,提出了新的螺栓结合面切向响应模型;最后,基于Matlab仿真和已有的试验数据,验证了所建模型的正确性,并探究了加载条件、塑性指数和动静摩擦因数比对结合面接触特性的影响。研究表明：一个周期加、卸载的能量耗散是随着位移幅值的增加而递增;相比于塑性指数,动静摩擦因数比的改变对结合面切向载荷的影响更为显著,在后续研究中需重点考虑;微凸体临界滑移力分布受其他因素的影响主要体现在接触微凸体的数目、峰值点的位置以及曲线收敛速度的改变。     

预紧力对紧螺栓连接板位移载荷响应的影响

针对螺栓连接的可靠性和紧密性问题,研究切向载荷作用下预紧力对紧螺栓连接结合面微滑状态下等效刚度以及微滑移-宏观滑移临界响应幅值的影响。以单搭单螺栓连接板为对象,分析结合面接触压力和预紧力的关系,在研究连接板位移载荷特性的基础上,构建螺栓连接板的等效刚度模型;基于有限元法开发变预紧力的单搭螺栓连接板参数化模型,提出位移载荷响应计算方法;探讨预紧力对微滑阶段螺栓连接板的位移-载荷响应的影响,分析预紧力对微滑移-宏观滑移临界响应幅值和等效刚度的作用。结果表明,当连接板自由端位移响应幅值小于0.075 mm时,预紧力变化对位移载荷响应没有影响,螺栓连接板等效刚度渐硬;当位移响应幅值大于0.075 mm时,预紧力对等效刚度影响明显;微滑移-宏观滑移临界响应幅值与预紧力大小呈近似线性关系。当预紧力为[0.15~0.33]F_(0max)(F_(0max)为最大预紧力)或[0.45~0.70]F_(0max)时,预紧力变化对连接刚度影响很小,预紧力对等效连接刚度的影响可达到50%。研究表明,切向载荷作用下的摩擦式螺栓连接,改变预紧力可调节螺栓连接板的等效刚度和微滑移-宏观滑移临界响应幅值,综合考虑可为螺栓连接板的力学设计提供新思路。     

轴向激励下螺栓连接结构有限元分析

利用软件ABAQUS建立螺栓连接结构有限元模型，分析不同预紧力、载荷幅值作用下螺纹接触界面的应力应变分布，讨论轴向激励下螺栓轴向力的衰减行为。结果表明，第一圈工作螺纹根部Mises等效应力和累积塑性应变最大，说明螺栓在此处发生疲劳断裂的风险最高。螺栓连接结构分离后螺纹承载面的滑移幅值迅速上升，且上升幅值随着工作螺纹圈次的增加而减小，从而造成单位面积耗散能随工作圈次的增加而减小的现象。经过第一次循环加载后，螺栓轴向力降幅较大。同时，螺纹间的相对滑动和材料的塑性变形是螺栓轴向力下降的主要原因，其中后者的影响尤其明显。     

栓接结合部迟滞非线性建模与辨识方法

由于栓接结合部是导致结构发生复杂非线性特性的主要因素,而对栓接结合部的传统处理方法往往忽略结合部的非线性特性或采用等效线性化的数学方法来建模,造成无法准确分析和研究栓接结合部的非线性动力行为。通过实验研究结合部上微凸体间相互挤压、搓动引起的能量耗损机理,运用Iwan模型描述栓接结合部的迟滞非线性现象。在准静态条件下获得力位移实验数据,利用无约束非线性优化方法和Newton迭代法辨识出Iwan模型中的未知参数,从而获得随外载荷幅值变化下的迟滞非线性特性,并与实验结果进行比较。结果表明,利用Iwan模型能够准确反映出栓接结合部所表现出的能量迟滞机理和非线性行为。     

一种MEMS谐振梁的热弹阻尼分析

热弹阻尼是高Q值微结构器件能量耗散的主要机理,文中介绍解析理论评估热弹阻尼,但此理论只适用于简单模型.对于复杂模型的分析,采用数值计算方法.文中利用有限元分析方法评估一种MEMS谐振器中由于热弹阻尼引起的能量耗散,并考虑电极、材料特性等因素的影响.有限元计算结果与实际实验结果一致性良好,从而为高Q值MEMS谐振器的设计提供了有力的设计方法.     

考虑碰撞挤压的螺栓接头迟滞回线建模

在振动、冲击载荷作用下,螺栓连接结构呈现出明显的非线性迟滞现象,影响结构的整体性能。传统的动力学研究仅考虑连接界面的微观/宏观滑移,很少研究螺栓杆与孔壁之间由于界面滑移产生的接触力。基于BRAKE的RIPP模型,提出一种考虑能量损耗的“钉扎接触力”模型,以实现对切向力3个阶段的整体迟滞回线建模;基于该模型,分析预紧力以及摩擦因数对迟滞回线的影响。提出的模型与现有的研究结果吻合性良好,验证了整体迟滞模型的有效性。研究表明：摩擦因数和预紧力的增加会扩大迟滞回线所包围的面积,进而导致单个周期内切向滑移所造成的能量损耗逐渐增加;相比于摩擦因数,预紧力对微滑移阶段的迟滞特性影响更为明显。提出的模型可以反映出“钉扎”接触过程对迟滞特性的影响,有助于更好地揭示螺栓连接在冲击载荷下的响应特征及其非线性行为,为后续螺栓连接结构动力学建模提供帮助。     

螺栓连接界面非线性建模及其参数辨识方法研究

螺栓连接是一种在机械结构中应用极其广泛的连接形式,由于连接界面上存在多种非线性特征,对连接结构的刚度和阻尼具有重要的影响,并进一步导致其动力学特性的非线性变化.建立了螺栓连接界面的非线性模型,并提出了一种基于准静态试验的模型参数辨识方法.首先,在模型中考虑了沿界面法向的非线性接触刚度以及界面上粘滞、滑移、间歇性分离等多种接触状态的存在.进一步,通过准静态试验获得了连接界面的滞回曲线以及拉压变形曲线,对所提出的辨识方法进行了实例应用.结果表明理论与试验的曲线结果具有较好的一致性,该辨识方法具有较高的准确性.该方法能够再现连接界面间复杂非线性特征且具备可识别便于使用的特点,对于螺栓连接结构的动静态特性仿真计算具有重要意义.     

栓接结合部在动载荷下的能量耗散特性

研究栓接结合部在动载荷下的能量耗散特性,对描述机械系统复杂力学行为具有重要的理论和实际意义。利用Bouc-Wen模型模拟栓接结合部的迟滞非线性特性,提出在动载荷下系统能量耗散计算方法和参数辨识方法。为验证所提方法的正确性,利用Mindlin模型所仿真出的非线性迟滞曲线作为栓接结合部所获得的试验数据,对Bouc-Wen模型进行参数辨识,并采用力控制方式分析Bouc-Wen模型中各个参数对系统能量耗散特性的影响规律。结果表明:随着量纲一切向力的增加量纲一能量耗散随之非线性递增;参数A、δ、γ和n对能量耗散的影响与其灵敏度相关,灵敏度越大则能量耗散的递增速率也越大;能量耗散随着参数A、γ和n的增加而增加,但参数δ则反之;栓接结合部能量耗散不仅与Bouc-Wen模型中的参数相关,而且与系统激励频率和振幅非线性相关;量纲一切向力与量纲一能量耗散之间关系可表示为η=aΓb的函数形式。     

螺栓松动应变频响模型修正识别方法

为了有效识别工程结构中的螺栓连接松动，防范结构连接失效风险，以应变频响函数（SFRF）作为响应特征指标，提出了一种基于模型修正思想的螺栓连接结构松动识别方法。对含4个螺栓连接的搭接板结构，采用薄层单元描述螺栓连接，分别提取仿真模型和松动损伤结构模型螺栓连接位置的应变频响曲线，拾取频响曲线的特征点并构造目标函数。采用拉丁超立方抽样和径向基函数近似方法，构造了连接参数和目标函数之间的代理模型关系。基于模型修正思想，采用遗传算法对目标函数进行优化，识别模型中连接参数值。通过比较模型的初始连接参数和识别出的参数值，可定量描述结构松动损伤。数值算例结果表明，薄层单元有限元建模方式能较准确地模拟螺栓连接特性，使用代理模型可提高搜索效率，能有效识别螺栓连接结构的松动程度。     

螺栓联接结构的有限元模拟计算

对某压缩机螺栓联接结构作了有限元模型简化及接触有限元模拟计算，结果表明螺母接触面受挤压。近似呈线性分布。以θ=0作为边界条件。螺栓应力的解析解与有限元结果作了比较，数值较接近。说明用解析法计算螺栓的应力分布有较好的精度。     

螺栓连接建模及其有效性验证研究

针对螺栓连接结构建模问题,将螺纹结构分为螺纹区、螺柱区、过渡区分别进行建模,划分出规整的、高质量的六面体网格,最终得到精确的螺栓连接有限元模型。采用Yamamoto方法和Sopwith方法分别计算螺母螺纹中各扣螺纹截面上轴力系数的解析值,并和仿真分析得到的各扣螺纹截面上的轴力系数模拟值做比较,得到了解析值与模拟值几乎一致的结论,验证了螺栓连接模型的有效性,对螺栓连接建模及螺栓连接仿真相关研究具有重要意义。     

螺栓—法兰连接结构的多目标优化设计研究

螺栓—法兰连接结构是工程中一种重要的连接方式,强度和质量是其主要性能指标。将有限元法与最优化方法结合起来,可以很好地实现螺栓—法兰连接结构的多目标优化设计。文中基于响应面法确定法兰结构的几何参数组合,利用有限元分析软件Ansys对不同参数组合情况下的法兰结构进行应力场分析,获得响应面模型,然后通过MAT-LAB多目标优化设计方法,计算得到法兰结构的最优几何参数。数值计算结果表明,优化几何参数后的螺栓—法兰结构比原结构最大等效应力下降13.6%,质量下降12.5%。     

一种螺栓结合部刚度四点等效方法

螺栓结合部是机床结构中应用最普遍的固定结合部之一,直接影响着机床整机性能。应用有限元软件分析机床整机结构性能时,为了保证计算精度,需要精细划分螺栓结合部网格,导致计算规模大、耗时,因此探索简单有效的机床螺栓结合部有限元模型的处理方法具有重要意义。基于实验获取结合面基础特性参数,通过解析方法得到螺栓结合部中每个单元螺栓结合部的六项刚度,然后基于刚度等效原则将每个单元螺栓结合部等效成对称分布的四个弹簧单元,给出了等效弹簧刚度及位置的计算方法,在机床整机结构有限元分析时,以等效弹簧单元代替单元螺栓结合部,直接将其等效刚度代入有限元模型求解,可大大简化有限元计算模型。实验验证该等效方法是可行的。     

低预紧扭矩螺栓连接悬臂梁的2倍谐振响应

为准确获得光电设备中螺栓连接对系统结构动态响应特性的影响,研究了装配连接环节导致的非线性振动特性。采用单螺对栓连接悬臂梁模型,对螺栓连接引起的结构振动特性的改变进行了研究和实验。利用接触有限元方法对低预紧扭矩下结构非线性振动特性进行了时域数值积分仿真分析,给出了不同激励量级周期受迫激励下的相轨迹曲线;结合快速傅里叶分析方法,指出此模型在低预紧扭矩下存在1/2频率激励下的谐振现象。基于激振器实验,给出了实验自由振动响应幅值和受迫振动响应幅值的变化,证实了仿真结果的准确性。数值仿真和激振器实验均表明:激励量级越大,螺栓连接引起的非线性振动中自由振动分量对结构动态响应的影响越大。该方法对开展后续连接结构的非线性振动特性的研究有指导意义。     

螺栓接头界面迟滞行为分析

切向载荷作用下,螺栓接头界面随切向位移增大表现出明显的变阻尼和刚度软化特性。为有效表示接头界面的迟滞特性,旨在研究一种新的螺栓接头界面建模方法。基于Iwan模型,将预紧力产生在接头界面的正压力转换成切向力的均匀密度函数,建立螺栓接头界面的切向加载曲线与非线性迟滞回线理论模型。通过与原有的实验结果比较,验证了加载曲线与迟滞回线的正确性,并探讨了不同参数对迟滞回线的影响。结果表明,临界切向位移、初始刚度对迟滞回线的变化影响较为明显,残余刚度对迟滞行为影响主要体现在宏观滑移阶段。该模型可以有效地表达螺栓连接的复杂非线性特征,准确再现结合面的迟滞现象以及刚度软化现象。     

基于夏氏法的螺栓连接结构传递函数辨识

对于含有螺栓连接的组合弹性体振动建模问题,提出一种基于交替的广义最小二乘法(夏氏法)的传递函数建模方法。为研究螺栓结构的传递特性,设计一个螺栓连接系统,利用Hyper Mesh软件对螺栓连接构件进行有限元建模,分别采用圆柱型梁单元和哑铃型结构对螺栓连接结构进行简化,通过对比可知哑铃型结构仿真效果更好。在考虑螺栓预紧力及接触的情况下,施加瞬态载荷,通过分析激励点和响应点的位移关系,发现激励通过系统后,Y方向振动幅值变大,Z方向相对减小且方向相反,根据所得位移数据,利用MATLAB软件编程,采用夏氏法,对激励点与响应点之间的传递函数进行参数辨识。     

螺栓连接结合部薄层单元参数优化辨识

薄层单元可有效地表征螺栓连接结合部,但要进行动力学分析及优化必须辨识出薄层单元参数。为此,在建立薄层单元参数与结合部动态特性关系的基础上,提出一种准确、高效辨识薄层单元参数的方法。通过分析薄层单元的刚度矩阵及本构方程,确定待辨识参数;采用拉丁超立方抽样方法选取参数样本,结合试验与有限元计算的模态参数建立目标函数,用响应面模型表征薄层单元参数与目标函数的关系,并评价模型精度;采用遗传算法在响应面模型基础上实现参数优化辨识。分别辨识均一材料和考虑结合面应力分布差异化材料的薄层单元参数,参数优化辨识后,试件的试验与有限元计算固有频率误差均不超过4%,证明了该辨识方法的有效性。     

行波电渗流微泵的数值模拟和微泵流量影响参数研究

采用耦合的Poisson-Nernst-Planck(PNP)方程和Navier-Stokes(NS)方程,研究二维狭窄微通道行波电场电渗流数值解。将计算结果与普遍采用的滑移边界近似解进行了比较。结果表明:在边界滑移模型适用的范围内,两种算法具有较好的一致性,从而验证了耦合PNP方程算法的正确性;当双电层厚度较大、行波信号幅值较大时,采用耦合PNP方程更为合理。     

半主动悬置幅变动特性建模与试验分析

针对经典集总参数模型无法表述半主动悬置幅变特性的问题,建立了修正的集总参数模型,用于描述半主动悬置的幅变特性。首先,在MTS831试验台上分别对半主动悬置和橡胶主簧进行了不同位移振幅激励下的动特性试验。根据试验结果,采用遗传算法对半主动悬置的主要集总参数进行了辨识,确定了受幅值影响较大的集总参数。其次,根据参数辨识结果,采用幂指数模型拟合了惯性通道液阻的幅变修正系数,应用二次多项式响应面方法获得了橡胶主簧动特性关于幅值和频率的回归方程,最终建立了修正的集总参数模型。修正的集总参数模型不仅能同时反映半主动悬置的幅变和频变特性,还具有很好的预测功能。通过修正的集总参数模型,分析了半主动悬置幅变动特性的产生机理。