[发明专利]一种提高轴孔连接结构承载能力的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于机械连接结构设计技术领域，具体涉及一种提高轴孔连接结构承载能力的设计方法。

背景技术

轴孔连接在结构设计中应用非常普遍，是工程结构中重要的传力部件，比如螺栓与耳片。由于其本身的结构特点，承力时往往是外力通过轴直接施加在孔边上，孔边会因为挤压而出现高应力的接触区域，导致其承载能力不高，而且在动态载荷作用下，容易造成局部点的接触受损。因此孔边区域的接触应力往往会成为影响整个连接结构承载能力的关键部位。

一般情况下，按照配合精度，轴和孔大部分是间隙配合，外力载荷P在通过轴向孔边传递时，随着外部载荷P的逐步增大，轴与孔的接触区域首先由线接触逐步过渡到面接触，这个过程为边界非线性接触问题。轴与孔的配合间隙很小，配合表面在无变形时已经基本贴合在一起，在外力载荷P的作用下，将导致轴与孔之间接触区的尺寸迅速扩大，使其与轴与孔本身的有效几何尺寸相当。这一协调接触的过程，不适合弹性半空间的假设，不满足Hertz接触理论的适用条件。

传统的轴孔连接结构分析设计方法是按照连接结构的使用条件，基于其基本尺寸，确定轴孔的配合精度要求。这种设计方法没有考虑到轴与孔配合时在接触区域存在的高应力现象，导致孔边容易达到其强度极限，因而结构承载能力不高。而且，传统设计在考虑接触问题时一般都是按照Hertz理论来进行计算分析的，这种理论方法在计算协调接触时误差很大，不适合轴孔连接结构的分析计算。

针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

本发明方法针对传统轴孔连接结构，以改善轴孔连接结构的接触特性、提高其承载能力为目的，提出了一种通过改变轴孔连接结构中孔接触面的曲面形状及优化曲面参数，来降低连接结构最大接触应力及其分布梯度的方法，从而使轴孔连接结构在承力时应力分布更加合理，接触区最大应力明显降低，大大提高了连接结构的承载能力。

发明内容

本发明提出了一种提高轴孔连接结构承载能力的优化设计方法，该方法改变了传统轴孔连接中轴与孔截面都为圆形的惯例，从影响轴孔接触区接触应力大小的主要因素（接触点数目及接触点处的接触曲率）出发，通过改变孔接触面的曲面形状及优化其曲面参数，使得最初接触点数目增多、接触曲率得到优化，从而使得外部载荷增加时轴孔的接触顺序从两侧逐步向中部扩展，增加了轴孔接触区的分布面积，降低了最大接触应力，进而大大提高了连接结构的承载能力。该方法可以指导整个连接件的设计过程，设计出更加合理、利用率更高的结构。

一种提高轴孔连接结构承载能力的优化设计方法，包括以下几个步骤：

步骤一，建立连接结构的接触应力分析模型，确定计算接触应力理论解的方法；

计算得到接触应力理论解，需要首先建立连接结构的数学分析模型。根据连接结构的基本几何构型，基于连接结构承载时的传力路径，考虑轴孔本身的结构特点，建立结构的平面应变接触模型。分析确定出Persson接触理论计算所需要的配合精度数据后，利用数值分析方法进行理论求解，得到连接结构接触区域的理论解。

步骤二，建立接触优化分析模型及优化设计方法，通过设计分析，计算得到孔接触面曲面参数的最优解；

确定了轴孔接触区域接触应力的理论求解方法后，接着进行优化分析模型和优化分析方法的建立。平面优化模型通过改变耳片孔接触曲面的几何参数，达到使接触区接触应力的最大值p_max最小和优化接触区应力分布梯度的目的。

优化模型可以表述为：

具体的优化设计方法，从两个方面来进行：（1）接触点的曲率；（2）接触点的数目。基于以上两点，选定孔接触面的曲面形式，确定曲面的可变几何参数。通过以耳片孔接触面的可变几何参数为设计变量，在约束条件的约束下，利用步骤一方法，计算每次调整后的接触面最大接触应力，得到最大接触应力最小时的最优参数解。

步骤三，计算有限元解，有限元解与理论解误差对比。

分别建立传统轴孔连接结构和优化设计后轴孔连接结构的有限元模型，计算分析得到各自接触区域的最大接触应力。参照理论求解出的传统轴孔连接结构和优化设计后的连接结构的最大接触应力理论解，有限元解与理论解进行误差对比分析，验证优化效果。

本发明的优点在于：

（1）本发明在连接结构设计过程中就将连接件接触区域的接触应力考虑到结构设计中，可以避免以往传统连接结构件因孔边高应力破坏而造成的承载能力不高的缺陷，提高了设计的科学性和严谨性；