[发明专利]一种包带连接结构摩擦阻尼特性解析计算方法

摘要

本发明提出一种包带连接结构摩擦阻尼特性解析计算方法，其特征在于，首先对纵向循环载荷作用下包带连接结构的受力和变形进行分段线性假设；然后基于弹性理论，确定各线性段交点处包带连接结构受力和变形的解析表达式；最后基于各交点处的力、位移表达式，建立包带连接结构摩擦阻尼特性的分段线性解析模型。本发明以解析的形式给出包带连接结构所受外载荷与摩擦力和相对位移之间的关系，能够直观的反映包带结构参数及载荷条件对包带连接结构摩擦阻尼特性，便于引入到包带连接星箭系统动力学模型中，获得包带连接对星箭系统动力学特性的影响规律，使星箭系统动力学特性计算更加接近实际情况。

主权项

1.一种包带连接结构摩擦阻尼特性解析计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、对纵向循环载荷作用下包带连接结构的受力和变形进行分段线性建模；步骤2、确定各线性段交点处包带连接结构受力和变形的解析表达式；步骤3、建立包带连接结构摩擦阻尼特性的分段线性解析模型；所述步骤1对纵向循环载荷作用下包带连接结构的受力和变形进行分段线性的建模，具体过程为：将一个纵向力加载周期内包带连接结构的受力和变形划分为9个线性段：第1段，最初包带连接结构仅受预紧力作用，纵向力从0正向加载，卡块(3)与对接框之间由负向宏滑移状态过渡到正向宏滑移状态，上对接框(4)与下对接框(5)之间存在张角，但处于接触状态；第2段，纵向力进一步加大直至达到正向极限值，在该段内，卡块(3)与对接框始终处于正向宏滑移状态，上对接框(4)与下对接框(5)脱离；第3段，纵向力开始减小，卡块(3)与对接框之间由正向宏滑移状态过渡到负向宏滑移状态，上对接框(4)与下对接框(5)保持脱离状态；第4段，纵向力进一步降低，该段内，卡块(3)与对接框之间始终处于负向宏滑移状态，上对接框(4)与下对接框(5)之间恢复接触；第5段，纵向力降至0，该段内，卡块(3)与对接框之间仍然处于负向宏滑移状；第6段，纵向力反向加载，上对接框(4)与下对接框(5)之间的张角逐渐减小至完全贴合；第7段，纵向力继续增大至极限值，上对接框(4)与下对接框(5)完全贴合，并出现挤压变形；第8段，纵向力减小，上对接框(4)与下对接框(5)挤压变形减小，但仍处于完全贴合状态；第9段，纵向力降至0，此时包带连接结构仅受预紧力作用，与第1段初始状态相同；所述步骤2确定各线性段交点处包带连接结构受力和变形的解析表达式的具体步骤为：步骤201、对纵向力作用下包带连接结构进行受力和分析，得到上对接框(4)与下对接框(5)纵向相对位移z的一般表达式其中，中间变量中间变量中间变量中间变量是单位弧长金属带与卡块(3)间的接触压力，S是包带所受预紧力，R_b是金属带(2)中面所在圆周半径，是单位弧长对接框所受纵向力，T是对接框所受纵向力，R₀是圆柱壳7中面半径，f_f是单位弧长卡块与对接框间的摩擦力，α是卡块楔角，E是包带组件的弹性模量，ν是包带组件的泊松比，是损耗因子，t_s是对接框圆柱壳(7)的厚度，R_f是卡块(3)与对接框接触力合力作用点处法兰环(6)的半径，t_f＝t₀‑2(R_f‑R₂)tan(α/2)是卡块(3)与对接框接触力合力作用点处法兰环(6)的厚度，t₀是对接框圆柱壳(7)与法兰环(6)接头处法兰环的厚度，r_c是上对接框(4)与下对接框(5)接触力合力作用点与法兰环(6)外缘之间的径向距离，ΔR＝R₁‑R₀是从对接框圆柱壳(7)中面到法兰环(6)外缘的径向距离，是法兰环(6)的平均半径，R₁是法兰环(6)外径，R₂是圆柱壳(7)外径，R₃是圆柱壳(7)内径，A是法兰环(6)径向截面的面积，I_r是法兰环(6)径向截面的惯性矩；步骤202、在步骤1的基础上得出9个线性段所对应的10个交点处所对应的参数之间的关系，即：包带连接结构所受纵向力T1～T10，卡块(3)与对接框之间的摩擦力ff1～ff10以及上对接框(4)与下对接框(5)之间的相对位移z1～z10表达式，具体如下：第1段起始点处，纵向力为0，在预紧力的作用下，卡块(3)与对接框之间处于负向宏滑移状态；此时包带所受纵向力T1、卡块(3)与对接框间摩擦力ff1以及上对接框(4)与下对接框(5)纵向相对位移z1表达式分别为其中，是无纵向力作用时单位弧长金属带与卡块(3)间的接触压力，S₀是无纵向载荷作用时包带所受的初始预紧力，R_f0是无纵向力作用时卡块(3)与对接框接触力合力作用点处法兰环(6)的半径，t_f0是无纵向力作用时卡块(3)与对接框接触力合力作用点处法兰环(6)的厚度，μ是卡块(3)与对接框间摩擦系数；此时，卡块(3)与对接框接触力合力位于卡块楔顶(8)处，因此R_f0的值等于卡块楔顶(8)对应的法兰环(6)半径，t_f0的值等于卡块楔顶(8)对应的法兰环(6)厚度；第1段与第2段交点处，卡块(3)与对接框之间处于正向宏滑移状态；此时包带所受纵向力T2、卡块(3)与对接框间摩擦力ff2以及上对接框(4)与下对接框(5)纵向相对位移z2表达式分别为第2段与第3段交点处，纵向力达到正向极限值，卡块(3)与对接框处于正向宏滑移状态，上对接框(4)与下对接框(5)脱离；此时包带所受纵向力T3、卡块(3)与对接框间摩擦力ff3以及上对接框(4)与下对接框(5)纵向相对位移z3表达式分别为其中，T_M为纵向力正向极限值，为纵向力达到正向极限值时单位弧长金属带与卡块(3)间的接触压力，A_b为金属带(2)径向截面面积；第3段与第4段交点处，纵向力开始减小，卡块(3)与对接框之间处于负向宏滑移状态，上对接框(4)与下对接框(5)保持脱离状态；此时包带所受纵向力T4、卡块(3)与对接框间摩擦力ff4以及上对接框(4)与下对接框(5)纵向相对位移z4表达式分别为第4段与第5段交点处，纵向力进一步降低，卡块(3)与对接框之间处于负向宏滑移状态，上对接框(4)与下对接框(5)之间恢复接触；此时包带所受纵向力T5、卡块(3)与对接框间摩擦力ff5以及上对接框(4)与下对接框(5)纵向相对位移z5表达式分别为，第5段与第6段交点处，纵向力降至0；此时，包带连接结构的受力和变形状态与第1段起始点完全相同，包带所受纵向力T6、卡块(3)与对接框间摩擦力ff6以及上对接框(4)与下对接框(5)纵向相对位移z6表达式分别为T6,ff6,z6＝T1,ff1,z1；第6段与第7段交点处，纵向力反向加载，上对接框(4)与下对接框(5)完全贴合；此时包带所受纵向力T7、卡块(3)与对接框间摩擦力ff7以及上对接框(4)与下对接框(5)纵向相对位移z7表达式分别为其中，Rf7是上对接框(4)与下对接框(5)完全贴合时卡块(3)与对接框接触力合力作用点处法兰环(6)的半径，tf7是上对接框(4)与下对接框(5)完全贴合时卡块(3)与对接框接触力合力作用点处法兰环(6)的厚度，rc7是上对接框(4)与下对接框(5)完全贴合时上对接框(4)与下对接框(5)接触力合力作用点与法兰环(6)外缘之间的径向距；Rf7，tf7和rc7的值由有限元仿真确定，计算时取Rf7＝Rf0，tf7＝tf0和rc7＝0；第7段与第8段交点处，纵向力增大至反向极限值，上对接框(4)与下对接框(5)完全贴合，并出现挤压变形；此时包带所受纵向力T8、卡块(3)与对接框间摩擦力ff8以及上对接框(4)与下对接框(5)纵向相对位移z8表达式分别为T8＝TcM＝‑TM，ff8＝0，其中，TcM为纵向力反向极限值，Rf8是上对接框(4)与下对接框(5)出现挤压变形时卡块(3)与对接框接触力合力作用点处法兰环(6)的半径，tf8是上对接框(4)与下对接框(5)出现挤压变形时卡块(3)与对接框接触力合力作用点处法兰环(6)的厚度，rc8是上对接框(4)与下对接框(5)出现挤压变形时上对接框(4)与下对接框(5)接触力合力作用点与法兰环(6)外缘之间的径向距；Rf8，tf8和rc8的值由有限元仿真确定，计算时取Rf8＝Rf0，tf8＝tf0和rc8＝0；第8段与第9段交点处，纵向力减小，上对接框(4)与下对接框(5)挤压变形减小，但仍处于完全贴合状态；此时，包带连接结构的受力和变形状态与第6、7段交点完全相同，因此有包带所受纵向力T9、卡块(3)与对接框间摩擦力ff9以及上对接框(4)与下对接框(5)纵向相对位移z9表达式分别为T9,ff9,z9＝T7,ff7,z7；第9段与第1段交点处，纵向力降至0；此时，包带连接结构的受力和变形状态与第1段起始点完全相同，因此有包带所受纵向力T10、卡块(3)与对接框间摩擦力ff10以及上对接框(4)与下对接框(5)纵向相对位移z10表达式分别为T10,ff10,z10＝T1,ff1,z1；所述步骤3建立包带连接结构摩擦阻尼特性的分段线性解析模型，得到包带连接结构卡块(3)与对接框间摩擦力ff以及上对接框(4)与下对接框(5)相对位移z之间的关系表达式为ff＝ffi+kfi(z‑zi),i＝1,…9；其中，各段线性段的斜率kfi＝(ffi+1‑ffi)/(zi+1‑zi)，i＝1,…9；同样，得到纵向载荷T与上对接框(4)与下对接框(5)相对位移z之间的关系其中，各段线性段的斜率从而实现了包带连接结构摩擦阻尼特性的解析描述。