[发明专利]一种考虑不确定性的螺栓连接结合面刚度识别方法

说明书

本发明涉及一种考虑不确定性的螺栓连接结合面刚度识别方法，包括如下步骤：S1、根据被连接件和螺栓连接件的几何参数和材料参数建立螺栓连接结构有限元模型；S2、对不同预紧力矩下螺栓连接结构进行模态试验，获得结构区间不确定性模态参数，即得到试验模态参数区间；S3、在螺栓连接结构的有限元模型基础上，构造薄层单元材料参数与结构动态特性之间的响应面模型；S4、结合响应面模型与蒙特卡洛方法，得到计算模态参数区间；S5、根据试验模态参数区间和计算模态参数区间构造目标函数，识别结合面薄层单元材料参数的区间，实现薄层单元等效的螺栓连接结构有限元模型。解决工程中螺栓连接结构数值模拟中结合面刚度不确定性的问题。

技术领域

本发明涉及一种考虑不确定性的螺栓连接结合面刚度识别方法，具体涉及有限元动力学连接建模的螺栓连接建模过程，即螺栓工作中由预紧力矩松弛、结合面粗糙程度等因素所导致的连接刚度不确定性的有限元模拟。

背景技术

螺栓连接广泛应用于各类机械结构，主要在结构部件之间起到传递力与运动的作用，其接触面刚度性能关系到结构动态特性，是结构可靠性分析、振动控制、优化设计等问题的关键。

工程中对于螺栓的计算与设计，往往根据现有规范、从确定性的角度来进行分析；然而，螺栓预紧力、结合面粗糙程度、工作载荷、工作温度等诸多因素均可能导致连接结构的接触面刚度性能存在不确定性。有效识别连接刚度的不确定性，能够为结构动力学优化设计、安全系数的合理取值提供参考。

螺栓连接是固定结合面的一种连接方式，面-面接触是该类连接最重要的特征；目前广泛使用的有限元法对连接刚度的模拟是重要工具之一。有限元法是求解复杂结构的力学问题的重要手段，同时也应用于其他用微分方程描述问题的学科。该方法将计算域划分为有限个互不重叠的单元、在每个单元内选择求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成线性表达式、借助于变分原理或加权余量法离散求解微分方程，从而实现对于计算模型各类力学量的求解。

在进行有限元计算时，有必要、且事实上只能对实际问题进行适当的简化。有限元涉及的问题简化有诸多方面；例如，去除实际结构中的与目前关心的问题无关的细微结构，用梁、杆、板、壳等具有典型力学特征的理想单元替代实际结构，用合理的简化方式表示各构件间的螺栓连接、焊接、粘接等实际连接方式，等等。这些简化的目的在于，在不影响希望达到的计算精度的同时，尽量降低计算量、节省计算时间。

对于螺栓连接问题的有限元计算，传统上通常采用接触有限元、弹簧单元或节点重合的三维实体建模等方法模拟螺栓连接。其中，考虑接触的有限元模型能够提供准确模拟结果，能够准确分析螺栓孔周变形及应力，计算质量较高；然而该方法建模复杂，计算耗时，如果考虑不确定性，将导致计算量急剧增长。将连接部分简化为弹簧单元或节点重合的三维实体建模则简化程度较高，与实际的结合面接触关系存在明显差异，难以进行不确定性接触刚度的参数化。因此，本发明选择了较为折衷的方案。本方法不建立螺栓连接件实体模型，采用薄层单元模拟螺栓连接结合面及连接刚度、同时将连接刚度的不确定性体现到薄层单元材料参数中；然后，通过多次实验获得连接结构不确定性动态特性，在此基础上识别薄层单元材料参数、获得反映不确定性连接关系的薄层单元材料参数，从而有效指导考虑不确定性情况下的螺栓连接结构动力学模拟。

发明内容

本发明提供一种考虑不确定性的螺栓连接结合面刚度识别方法，解决工程中螺栓连接结构数值模拟中结合面刚度不确定性的问题。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为，一种考虑不确定性的螺栓连接结合面刚度识别方法，包括如下步骤：

S1、根据被连接件和螺栓连接件的几何参数和材料参数建立螺栓连接结构有限元模型，所述有限元模型中结合部的结合面采用各向同性材料的薄层单元模拟，即采用薄层单元描述结合面的刚度；

S2、对不同预紧力矩下螺栓连接结构进行模态试验，获得结构区间不确定性模态参数，即得到试验模态参数区间；