基于界面元法的機(jī)械結(jié)合部靜動態(tài)特性研究.pdf

1、隨著機(jī)械設(shè)備向高速、高精度方向發(fā)展,機(jī)械結(jié)合部作為機(jī)械結(jié)構(gòu)中不可缺失的部分,具有很強(qiáng)的非線性特性,它對機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體性能有顯著的影響,已成為制約提高機(jī)械設(shè)備加工精度和效率的主要因素之一。目前,在設(shè)計(jì)階段,對于不包含結(jié)合部的結(jié)構(gòu)件,可以用成熟的有限元軟件對其進(jìn)行構(gòu)件的動、靜態(tài)特性分析,并可達(dá)到很高的分析精度。但當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)中包含結(jié)合部時(shí),基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限元法在處理機(jī)械結(jié)合部問題時(shí)卻表現(xiàn)出明顯的局限性,難以模擬錯(cuò)動、開裂和滑移等不連續(xù)變

2、形的情況。同時(shí),在用數(shù)值方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí),缺乏科學(xué)有效的機(jī)械結(jié)合部特性參數(shù)。
　　本文在前人研究的基礎(chǔ)上,提出一種基于界面元法的結(jié)合部特性分析方法,用界面元模擬機(jī)械結(jié)合部的不連續(xù)接觸面,將結(jié)合部特性宏觀和微觀研究相結(jié)合獲得了機(jī)械結(jié)合部特性的等效材料參數(shù),為進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體數(shù)值分析奠定了基礎(chǔ)。論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1.應(yīng)用于機(jī)械結(jié)合部分析的基本理論的研究基于虛功原理建立界面元離散模型,推導(dǎo)出界面元的位移、應(yīng)力和支配

3、方程,提出了不同約束條件的處理方法;編寫了界面元程序設(shè)計(jì)流程,并通過算例對界面元法的正確性、計(jì)算精度、收斂性、適用性等問題進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　2.機(jī)械結(jié)合部靜態(tài)特性等效材料參數(shù)化模型的建立在前人研究的基礎(chǔ)上,將機(jī)械結(jié)合部宏觀特性研究和微觀特性研究相結(jié)合,由機(jī)械結(jié)合部載荷-變形關(guān)系試驗(yàn)擬合生成機(jī)械結(jié)合部特性的非線性數(shù)學(xué)表達(dá)式,并進(jìn)一步獲得結(jié)合部單位面積剛度;基于GW接觸模型和離散單元的應(yīng)力波傳播條件,將機(jī)械結(jié)合部接觸表面分別簡化成單峰

4、接觸和多峰接觸,建立機(jī)械結(jié)合部接觸剛度與結(jié)合部等效材料參數(shù)之間關(guān)系式,推導(dǎo)獲得機(jī)械結(jié)合部靜態(tài)特性等效材料參數(shù)。
　　3.機(jī)械結(jié)合部靜態(tài)特性分析基于界面元法和機(jī)械結(jié)合部靜態(tài)特性等效材料參數(shù),建立包含結(jié)合部的機(jī)械結(jié)構(gòu)靜態(tài)數(shù)值模型,采用增量理論對機(jī)械結(jié)合部進(jìn)行變剛度迭代計(jì)算;分別以承受法向和切向載荷的機(jī)械結(jié)合部問題為研究對象,對不同載荷作用下結(jié)構(gòu)各測試點(diǎn)的變形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證機(jī)械結(jié)合部靜態(tài)特性等效材

5、料參數(shù)的準(zhǔn)確性和易用性。
　　4.機(jī)械結(jié)合部動態(tài)特性分析影響機(jī)械結(jié)合部動態(tài)特性的因素很多,且具有很強(qiáng)的非線性性質(zhì)。本文將解析法和試驗(yàn)法相結(jié)合識別機(jī)械結(jié)合部動態(tài)特性參數(shù),給出具有通用性的結(jié)合部動態(tài)特性表達(dá)式;參照建立機(jī)械結(jié)合部靜態(tài)特性等效材料參數(shù)化模型的方法,基于GW接觸模型和離散單元的應(yīng)力波傳播條件,將機(jī)械結(jié)合部動態(tài)特性宏觀研究和微觀形貌研究相結(jié)合,推導(dǎo)得到結(jié)合部動態(tài)等效特性參數(shù);基于界面元離散模型的動力學(xué)支配方程,采用迭代法為基

6、礎(chǔ)的直接濾頻法,求解含結(jié)合部的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的低階頻率,并以螺栓連接的兩梯形鋼板為例,驗(yàn)證機(jī)械結(jié)合部動態(tài)特性等效材料參數(shù)的準(zhǔn)確性和易用性。
　　5.界面元-有限元耦合模型將界面元與有限元兩種方法相結(jié)合,建立界面元-有限元耦合模型來求解連續(xù)-非連續(xù)問題,這樣既發(fā)揮界面元計(jì)算精度高、適用于不連續(xù)變形等優(yōu)點(diǎn),又能夠充分利用有限元的計(jì)算效率高、在工程應(yīng)用中適用性好的特點(diǎn);分別以簡易結(jié)合部結(jié)構(gòu)和螺栓結(jié)合部結(jié)構(gòu)為例,驗(yàn)證機(jī)械結(jié)合部界面元-有限元