螺栓结合部的动力学建模及其动态特性的研究

发布时间：2020-08-01 14:23

【摘要】：螺栓连接因拆卸方便而广泛应用于机械结构中,螺栓结合部特性对整机动态特性影响很大。由于螺栓结合部是多结合面的复杂结合部,在采用有限元软件分析和研究含螺栓的机械结构的动态特性时,无法直接建模。因此,探索一种能反映螺栓结合部特性简单有效的建模方法具有重要意义,本文主要从螺栓结合部的动力学建模及其动态特性的影响因素进行分析研究。采用ANSYS单元库中的combin14单元来等效搭接梁结构的单螺栓结合部,进行自由模态分析,获取前6阶模态参数;同时,采用虚拟材料层的建模方法对单螺栓结合部进行等效,同样进行自由模态分析,提取前6阶模态参数。利用LMS Test.Lab14A对结构进行模态测试,获得结构的前6阶固有频率及模态振型,并将两种理论计算结果与模态测试结果进行比较。结果表明,两种建模方法的理论振型和实验振型均相似,通过与实验固有频率的定量比较,弹簧单元建模方法的精度高于虚拟材料层的建模方法,其误差均在2.2%以内,说明了弹簧单元等效方法在单螺栓结合部建模方面的正确性和有效性。对含双螺栓结合部的哑铃状结构同样采用两种等效建模方法进行有限元建模及模态分析,利用实验测试结果对两种建模方法的精度进行验证。结果表明,采用弹簧单元的建模方法与实验固有频率误差最大为14.8%,而采用虚拟材料层的建模方法误差达到了33.6%。因此,在对多螺栓结合部进行建模时,要想获得更高的建模精度,应选用弹簧单元等效结合部的建模方法。通过单、双螺栓结合部建模方法与实验结果的比较,弹簧单元等效建模方法具有更高的建模精度,故进一步采用弹簧单元等效方法对螺栓结合部的动态特性进行了深入分析和研究,分别研究了不同的螺栓预紧力、表面粗糙度、结合面材料、螺栓分布及螺栓数量对螺栓结合部固有频率的影响规律,为螺栓结合部的动态特性分析提供参考依据。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH131.3
【图文】：

制造业涵盖航空航天、交通运输，军事工业等各个领域。机床作为制造业中的主要生产设备，其加工精度的高低是评价一台机床性能优劣的重要指标。因此，寻找机床结构设计中影响加工精度的因素是目前研究的一项重要课题。机械结构为了满足一定的功能、性能、加工要求及运输上的方便通常都不是一个连续的整体，而是通过某些特定的方式连接在一起，称零部件等之间相互结合的表面为“机械结合面”，简称“结合面”，零部件之间相互结合的部位称为“结合部”。机械结构中存在着多种多样的结合部，图 1-1 列出了工程实际中几种常见的结合部连接类型。由于结合部的存在使得机械结构不再是一个连续的结构，从而导致了关于机械结构研究的复杂性，从运动情况划分，结合部主要分为三类：（1）运动结合部：相互接触的两零部件在工作时存在宏观上相对运动的结合部，主要起导向和传递扭矩的作用，典型的有导轨结合部和轴承结合部；（2）半固定结合部：两接触零部件在工作时时而固定、时而运动的结合部，如摩擦离合器结合部；（3）固定结合部：两接触零部件在工作时保持不变的结合部，典型的有螺栓结合部和焊接结合部。

图 1-2 整机结构中的螺栓结合部Fig.1-2 Bolt Joint in Whole Machine Structure，机械结合面并不是完全接触的，而是表面上众多微接触面积小于其名义接触面积，对机械结构动态特性特性时，必须考虑到结合面上微凸体的影响；此外，，导致应用有限元软件分析含螺栓结合部机械结构的，必须精细地划分螺栓结合部的网格，从而导致很大度较高、耗时较短的螺栓结合部有限元建模方法具有型，首先必须充分地考虑到结合部的影响，结合部的机分析的关键之一。外研究现状属柔性连接，即在外载荷的作用下，结合部均会发生性又有阻尼，即结合面间既存在刚度也存在阻尼。而进而也导致了问题的复杂性。学者们针对结合部进行参数的识别（刚度、阻尼）、结合部的动力学建模以

图 1-3 结合面接触模型Fig.1-3 Contact Model of Joint Surface糙表面的接触问题，1966 年，Greenwood 等[5]研究认为各微凸体的为粗糙表面接触问题的研究奠定了基础，并提出了 GW 模型。G：（1）微凸体间均满足各向同性；（2）微凸体在峰顶附近微凸体凸体的曲率半径相同，其高度呈随机分布；（4）各微凸体间无面无大变形，且仅在微凸体接触时才产生变形。GW 模型至今仍该模型没有考虑微凸体由弹性变形到塑性变形的转换状态，属于理于工程实际。随后，Mandelbrot[6]发现二维 W-M 函数存在分形特征曲线处处连续且不可导，非常适合表征粗糙表面的表面轮廓，解决难的问题。Majumdar 和 Bhushan[7]依据 W-M 函数将分形理论应用题中，将接触表面假定为一个刚性平面和一个柔性表面的接触问面接触模型（MB 模型），最后利用功率谱函数计算了接触分形表尺度参数 G。Yan 等[8]将粗糙表面的自相似性特征用改进的 W-M开发的算法生成二维分形曲面以代替工程粗糙表面，将生成的表面

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本文编号：2777576