基于螺栓法蘭連接簡(jiǎn)化建模的箭體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空航天、核電站、化工機(jī)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(fù)雜多樣的外載荷環(huán)境中，在連接部位會(huì)受到拉、壓、彎、剪等多種載荷的單獨(dú)或共同作用，導(dǎo)致連接部位對(duì)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(dòng)力學(xué)特性分析在裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及預(yù)研階段至關(guān)重要。為了快速有效的研究外激勵(lì)作用下含剪力銷(錐)的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特點(diǎn)，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(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)連接結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)及其在多種激勵(lì)下的動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行分析，討論了特定參數(shù)對(duì)簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型響應(yīng)的影響，分析了開展動(dòng)力學(xué)控制的關(guān)鍵參數(shù)，最后，將簡(jiǎn)化建模方法應(yīng)用到箭體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中，并通過與某型實(shí)際箭體的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了簡(jiǎn)化建模方法的有效性。
　　本文主要研究?jī)?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(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)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(duì)模型精度進(jìn)行了驗(yàn)證;針對(duì)連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型運(yùn)動(dòng)方程在三個(gè)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(dòng)與剪切振動(dòng)的耦合振動(dòng)頻率特點(diǎn)與關(guān)系。
　　2.基于已建立的螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型，分析了不同載荷激勵(lì)下系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)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(huì)出現(xiàn)超諧振動(dòng)或亞諧振動(dòng)，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(jìn)行對(duì)比，闡明線性模型在分析結(jié)果上過于保守。同時(shí)，揭示了剪力銷傾角的存在會(huì)引發(fā)連接結(jié)構(gòu)中“力的轉(zhuǎn)向”效應(yīng)，即橫向載荷作用部分地轉(zhuǎn)移至縱向響應(yīng)上;繪制了彎曲方向激勵(lì)下剪力銷傾角在0°至40°間的螺栓最大拉力響應(yīng)等高圖，探索連接結(jié)構(gòu)在沖擊激勵(lì)下的瞬態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)。
　　3.根據(jù)螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況中受彎、剪、扭組合作用的特點(diǎn)，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(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)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(dòng)特性與耦合關(guān)系;研究了錐角不同、裝配間隙不同對(duì)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(jì)區(qū)間及裝配間隙。并且，基于有限元對(duì)比分析了不同簡(jiǎn)化連接結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力學(xué)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(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型，并給出了動(dòng)力學(xué)方程自振頻率數(shù)值解。在縱向激勵(lì)下，分析了系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特征;討論了系統(tǒng)在不同激勵(lì)方向下的穩(wěn)

6、態(tài)響應(yīng)特征，并分析了基于剛體假設(shè)的系統(tǒng)與當(dāng)前保持彈性特征的系統(tǒng)響應(yīng)對(duì)激勵(lì)頻率的敏感性差異。
　　5.建立多連接箭體結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化非線性動(dòng)力學(xué)模型，并依據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)完成簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證。通過等效梁模型結(jié)合局部三維有限元精細(xì)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(duì)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(qiáng)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(duì)振型斜率的影響。