一种获取螺栓连接结合面应力分布的方法技术

本发明专利技术公开了一种获取螺栓连接结合面应力分布的方法，其特征在于具有如下步骤：测试螺栓连接结构、各被连接件及材料参数，建立全局圆柱坐标系(r,θ,z)和局部圆柱坐标系(r,θ，z

Method for obtaining stress distribution of joint surface of bolt joint

The invention discloses a method for obtaining bolted joint surface stress distribution method, which is characterized by the following steps: Test of bolt connection structure, the connection and material parameters, establish global cylindrical coordinates (R, 0, z) and local cylindrical coordinates (R, 0, Z

【技术实现步骤摘要】
一种获取螺栓连接结合面应力分布的方法
本专利技术涉及一种快速、准确获取螺栓连接结合面应力分布方法，更具体地说，本专利技术提供了一种通过将螺栓连接结构分层，并结合层间应力/位移传递与边界关系计算螺栓连接结合面应力的方法。
技术介绍
螺栓连接结构是机械装配最主要的连接形式，航空航天、汽车、重大装备、新能源、数控机床等行业普遍应用螺栓进行机械产品连接。螺栓连接结构中多个被连接零部件之间的相互接触面为“结合面”，螺栓连接结合面应力分布对机械系统静力学、动力学及热力学特性都具有显著影响，获取结合部应力分布状态是准确分析机械系统特性的基础。获取螺栓连接结合面应力信息对于研究螺栓连接结构装配体性能很有意义。实际装配过程中，通常不允许在结合面中置入传感器；而与单一构件相比，机械结构的不连续性导致难以基于传统弹性力学理论计算结合面应力，结合面应力/位移分布状态相当于单一构件的边界条件，因缺乏成熟的边界未知条件下的应力/位移分布函数，传统弹性力学体系中难以准确求解机械装配体应力/位移场。相关专利公开了装配结合面应力分布测试方法，主要包括：1)专利CN201983892U公开了一种螺纹拧紧力及被连接件结合面间压力分布的测试装置，包括安装在螺栓头部、用于测量螺栓预紧力的垫片式压力传感器，用于测量结合面应力分布的压力薄膜传感器，用于显示垫片式压力传感器、压力薄膜传感器波形的示波器，用于采集垫片式压力传感器、压力薄膜传感器信号的计算机等。2)US6,829,944B1公开了一种紧固件拉力测量系统，其通过测量紧固件头部变形，根据该变形量与紧固力的函数关系测定紧固力，紧固件头部变形测量可采用光学测量、电容式传感器、光学图像、气动测量及压缩电阻式测量方式。3)201410629432.9公开了《一种间接测量装配结合面应力分布的系统及方法》。首先，建立邻侧面应力与结合面应力分布对应关系，通过将压力测量胶片放入部件Ⅰ与部件Ⅱ的结合面之间一段时间后取出，扫描仪将压力测量胶片的颜色分布情况扫描成图像输入到计算机，计算机绘制出结合面应力等值线图，应力等值线在邻侧面上的延伸线上粘贴应变片；然后，通过测量应变片的应力即可确定结合面的应力分布。4)SayedA.Nassar,AidongMeng等提出了应用散斑干涉技术，通过监测被连接件位移监测螺栓紧固力的方法。以上装配结合面应力分布测试主要可以分为直接测量和间接测量两种类型，实际装配过程中结合面通常不允许置入传感器，而上述间接测量可以获取部分结合面应力分布信息，但难以获取整个螺栓连接结合面应力分布。另外，结合面应力分析技术和应力测试技术属于获取结合面应力特征的两种不同的途径，通过计算的方式获取结合面特征，对于分析、控制结合面应力分布，进一步控制机械系统性能具有重要意义。有限元法是计算螺栓连接结合面应力场的主要方法，现有基于有限元的结合面应力计算方法主要有：1)CN102609560B公开了《一种3D任意粗糙表面的数字化模拟方法》。通过白噪声序列的反傅里叶变换、离散与傅里叶变换等处理，获得高斯粗糙表面高度序列的功率谱密度与传递函数；利用频域点乘并求反傅里叶变换的方法完成高斯表面高度序列的模拟；利用Pearson与Johnson非高斯转换系统相结合，生成非高斯粗糙表面；若偏斜度与峰度模拟精度不合格，则更新相角序列与白噪声的傅里叶变换，重新进行高斯滤波与非高斯转换，直到满足给定精度要求。2)CN102779200B公开了《一种包含微观表面形貌的结合面接触性能分析方法》。通过激光共聚焦显微镜测量实际表面或利用三维形貌数字化模拟方法获得粗糙表面，将3D粗糙表面离散成有限元软件容易提取的高度矩阵文件，建立考虑微观表面形貌的体模型，构建两3D粗糙表面接触的有限元接触模型，逐步施加位移和力载荷边界条件，对结合面的接触特征进行分析。螺栓连接结合面应力分布体现为载荷从载荷作用位置到结合面的传递，其与螺栓预紧力大小、预紧力作用位置，以及被连接件结构、材料参数等密切相关，与均布载荷作用下的结合面接触分析具有较大差异。另外，螺栓连接结合面应力场计算问题属于接触非线性问题，有限元法求解此类问题时内存需求大、计算效率低；有限元仿真结果往往依赖于高质量的网格，这也限制了有限元法解决此类问题的效率。鉴于现有技术应用于螺栓连接结合面应力分布计算方面的缺点和不足，结合应力/位移等特征在被连接件、界面间的传递规律，专利技术一种快速计算结合面应力分布的方法。
技术实现思路
鉴于现有技术应用于螺栓连接结合面应力分布计算方面的缺点和不足，结合应力/位移等特征在被连接件、界面间的传递规律，一种获取螺栓连接结合面应力分布的方法。本专利技术采用的技术手段如下：一种获取螺栓连接结合面应力分布的方法，其特征在于具有如下步骤：S1、测试螺栓连接结构、各被连接件及材料参数，包括各被连接件厚度hj、螺栓孔直径2a、螺栓载荷作用影响区域等效直径2b，预紧力半径作用范围a≤r≤c，以及各被连接件对应的弹性模量Ej，泊松比νi，剪切模量Gj，拉梅常数λj，其中，j∈(1,2,...,K)，h1对应于预紧力直接作用的第一被连接件的厚度；以第一被连接件的上表面中心为坐标原点O，将被连接件的中心轴线作为对称轴z，其方向垂直向下，r轴沿水平方向，建立全局圆柱坐标系(r,θ,z)；以每个被连接件的上表面中心为坐标原点O，将被连接件的中心轴线作为对称轴z，其方向垂直向下，r轴沿水平方向，建立局部圆柱坐标系(r,θ,zj)；S2、将被连接件划分为一系列薄层结构，根据装配体中结构及材料的连续性/不连续性设置层间边界条件，将第j个被连接件平均分成Nj层薄层，每层薄层厚为dj＝hj/Nj，设xj,i和xj,i+1分别为第j个被连接件内第i层薄层上、下表面对应的函数的端点值，其中，为关于z的待定函数，设u(j)和w(j)分别表示第j个被连接件水平和垂直方向的位移，σz(j)和τzr(j)分别表示第j个被连接件正应力和切应力，则螺栓连接边界条件为：第一被连接件的上表面：z1＝0：σz(1)＝-p(r),τzr(1)＝0，p(r)为法向分布力，第K被连接件的下表面：zK＝hK：u(K)＝w(K)＝0，第j被连接件和第j+1被连接件间的接触面，即结合面：zj＝hj,zj+1＝0：σz(j)＝σz(j+1),w(j)＝w(j+1),τzr(j)＝τzr(j+1)＝0，等效影响区域侧面：r＝a,b：τzr(j)＝τzr(j+1)＝0,σr(j)＝σr(j+1)＝0；S3、建立状态方程，并进行螺栓孔边界特征处理，选取u(j)、w(j)、为状态变量，则存在：将方程的解展为傅里叶—贝塞尔级数形式:为适应螺栓连接孔边界特征，将函数Vμ(αmr)构造为：式中，Jμ(αmr)、Yμ(αmr)分别为μ阶的第一类、第二类贝塞尔函数；Um、Wm、Rm、Zm(m＝0,1,2,3,…)分别为u(j)、w(j)、在傅里叶—贝塞尔级数展开时的系数项；αm＝βm/a，βm(m＝1,2,3,…)为满足下列方程的第m个正根，S4、表达每一薄层输入-输出变量映射关系，将薄层力学特征传递规律线性化，利用贝塞尔函数的性质，螺栓连接结构中，对于每一个m，m≥1，有状态方程：S(z)＝[Um(z)Wm(z)Rm(z)Zm(z)]T，其中，m＝0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种获取螺栓连接结合面应力分布的方法，其特征在于具有如下步骤：S1、测试螺栓连接结构、各被连接件及材料参数，包括各被连接件厚度h

【技术特征摘要】
1.一种获取螺栓连接结合面应力分布的方法，其特征在于具有如下步骤：S1、测试螺栓连接结构、各被连接件及材料参数，包括各被连接件厚度hj、螺栓孔直径2a、螺栓载荷作用影响区域等效直径2b，预紧力半径作用范围a≤r≤c，以及各被连接件对应的弹性模量Ej，泊松比νi，剪切模量Gj，拉梅常数λj，其中，j∈(1,2,...,K)，h1对应于预紧力直接作用的第一被连接件的厚度；以第一被连接件的上表面中心为坐标原点O，将被连接件的中心轴线作为对称轴z，其方向垂直向下，r轴沿水平方向，建立全局圆柱坐标系(r,θ,z)；以每个被连接件的上表面中心为坐标原点Oj，将被连接件的中心轴线作为对称轴zj，其方向垂直向下，r轴沿水平方向，建立局部圆柱坐标系(r,θ,zj)；S2、将被连接件划分为一系列薄层结构，根据装配体中结构及材料的连续性/不连续性设置层间边界条件，将第j个被连接件平均分成Nj层薄层，每层薄层厚为dj＝hj/Nj，设xj,i和xj,i+1分别为第j个被连接件内第i层薄层上、下表面对应的函数的端点值，其中，为关于z的待定函数，设u(j)和w(j)分别表示第j个被连接件水平和垂直方向的位移，σz(j)和τzr(j)分别表示第j个被连接件正应力和切应力，则螺栓连接边界条件为：第一被连接件的上表面：z1＝0：σz(1)＝-p(r),τzr(1)＝0，第K被连接件的下表面：zK＝hK：u(K)＝w(K)＝0，第j被连接件和第j+1被连接件间的接触面：zj＝hj,zj+1＝0：σz(j)＝σz(j+1),w(j)＝w(j+1),τzr(j)＝τzr(j+1)＝0，等效影响区域侧面：r＝a,b：τzr(j)＝τzr(j+1)＝0,σr(j)＝σr(j+1)＝0；S3、建立状态方程，并进行螺栓孔边界特征处理，选取u(j)、w(j)、为状态变量，则存在：将方程的解展为傅里叶—贝塞尔级数形式:为适应螺栓连接孔边界特征，将函数Vμ(αmr)构造为：式中，Jμ(αmr)、Yμ(αmr)分别为μ阶的第一类、第二类贝塞尔函数；Um、Wm、Rm、Zm(m＝0,1,2,3,…)分别为u(j)、w(j)、在傅里叶—贝塞尔级数展开时的系数项；αm＝βm/a，βm(m＝1,2,3,…)为满足下列方程的第m个正根，S4、表达每一薄层输入-输出变量映射关系，将薄层力学特征传递规律线性化，利用贝塞尔函数的性质，螺栓连接结构中，对于每一个m，m≥1，有状态方程：S(z)＝[Um(z)Wm(z)Rm(z)Zm(z)]T，其中，

【专利技术属性】
技术研发人员：孙清超，黄伟强，孙伟，汪云龙，孟亮国，马跃，张伟，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21