基于螺栓法蘭連接簡化建模的箭體結(jié)構(gòu)動力學特性研究.pdf

1、螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)廣泛應用于航空航天、核電站、化工機械等大型工業(yè)裝備中。這些裝備結(jié)構(gòu)經(jīng)常工作在復雜多樣的外載荷環(huán)境中，在連接部位會受到拉、壓、彎、剪等多種載荷的單獨或共同作用，導致連接部位對結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)敏感，令結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出非線性特性。因此，開展螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的動力學特性分析在裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計及預研階段至關(guān)重要。為了快速有效的研究外激勵作用下含剪力銷(錐)的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)動力學響應特點，本文通過將連接結(jié)構(gòu)的接觸非線性問題轉(zhuǎn)化為拉壓不同剛度的材

2、料非線性問題，基于非線性彈簧模型建立多自由度簡化動力學模型，對連接結(jié)構(gòu)耦合振動及其在多種激勵下的動力學特征進行分析，討論了特定參數(shù)對簡化動力學模型響應的影響，分析了開展動力學控制的關(guān)鍵參數(shù)，最后，將簡化建模方法應用到箭體結(jié)構(gòu)動力學分析中，并通過與某型實際箭體的試驗測試數(shù)據(jù)的對比驗證了簡化建模方法的有效性。
　　本文主要研究內(nèi)容為以下幾方面:
　　1.根據(jù)螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)靜力實驗及受力分析結(jié)果，建立了含剪力銷(錐)螺栓法蘭連接

3、結(jié)構(gòu)的動力學簡化模型。以三自由度質(zhì)量-雙線性彈簧系統(tǒng)表征連接結(jié)構(gòu)非線性特性，并對模型精度進行了驗證;針對連接結(jié)構(gòu)簡化動力學模型運動方程在三個自由度全耦合的問題，闡述了系統(tǒng)自由度的解耦條件，并分析了縱向振動與剪切振動的耦合振動頻率特點與關(guān)系。
　　2.基于已建立的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)簡化動力學模型，分析了不同載荷激勵下系統(tǒng)的瞬態(tài)響應特性。結(jié)果表明，在彎曲方向與縱向頻率比不同的情況下，系統(tǒng)會出現(xiàn)超諧振動或亞諧振動，甚至伴隨雙共振波峰現(xiàn)象;

4、與經(jīng)典線性系統(tǒng)模型進行對比，闡明線性模型在分析結(jié)果上過于保守。同時，揭示了剪力銷傾角的存在會引發(fā)連接結(jié)構(gòu)中“力的轉(zhuǎn)向”效應，即橫向載荷作用部分地轉(zhuǎn)移至縱向響應上;繪制了彎曲方向激勵下剪力銷傾角在0°至40°間的螺栓最大拉力響應等高圖，探索連接結(jié)構(gòu)在沖擊激勵下的瞬態(tài)響應特點。
　　3.根據(jù)螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)在實際工況中受彎、剪、扭組合作用的特點，考慮剪力銷的影響，建立了兩種質(zhì)量-非線性彈簧系統(tǒng)作為簡化動力學模型。討論了彎剪組合作用及扭

5、轉(zhuǎn)作用下的系統(tǒng)振動特性與耦合關(guān)系;研究了錐角不同、裝配間隙不同對螺栓最大拉力的影響，指出在彎、剪、扭組合作用下剪力銷傾角較好的設(shè)計區(qū)間及裝配間隙。并且，基于有限元對比分析了不同簡化連接結(jié)構(gòu)模型的動力學特性。
　　4.在考慮螺栓法蘭所連接部件縱向彈性特征的基礎(chǔ)上，為螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)建立了新的三自由度質(zhì)量-雙線性彈簧簡化動力學模型，并給出了動力學方程自振頻率數(shù)值解。在縱向激勵下，分析了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應特征;討論了系統(tǒng)在不同激勵方向下的穩(wěn)

6、態(tài)響應特征，并分析了基于剛體假設(shè)的系統(tǒng)與當前保持彈性特征的系統(tǒng)響應對激勵頻率的敏感性差異。
　　5.建立多連接箭體結(jié)構(gòu)的簡化非線性動力學模型，并依據(jù)試驗實測數(shù)據(jù)完成簡化動力學模型的驗證。通過等效梁模型結(jié)合局部三維有限元精細模型的混合建模的方法，研究了部分艙段結(jié)構(gòu)的局部剛度變化對振型及慣性部件安裝位置振型斜率影響;基于模態(tài)分析，討論了艙體開口加強圈梁剛度變化、載體十字梁截面變化、連接固定支座剛度變化以及殼體壁厚變化對振型斜率的影響。