一种考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法技术

本发明专利技术属于机械动力学技术领域，尤其涉及一种考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法。该方法包括以下步骤：建立管路卡箍约束的实体接触有限元模型，并对管路弹性模量通过自由模态试验进行修正，得到修正后的管路模型；在设定的拧紧力矩下对固有频率进行仿真计算，采用模态试验和基础激励响应试验对仿真计算进行验证；分析螺栓拧紧力矩、卡箍跨距及管体长度对双卡箍管路系统固有频率的影响规律。该方法采用有限元接触模型且与试验相结合的方式进行对比研究，此种建模方法计算结果准确，与实际结构相符。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法
本专利技术属于机械动力学
，尤其涉及一种考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法。
技术介绍
航空发动机外部管路是航空发动机的重要组成部分，有航空发动机“心血管”之称，长期以来，由振动引起的航空发动机外部管路失效一直是影响发动机可靠性的重要问题之一。因此，对卡箍管路系统振动特性的研究便显得尤为重要。针对航发外部管路采用卡箍约束的连接特点，尹泽勇等对卡箍刚度进行了有限元计算，并且通过实验的方法对典型卡箍的刚度进行了验证，获得了卡箍刚度的计算方法，可用于工程实际。Ulanov和Bezborodov通过迟滞回线确定了卡箍刚度及等效粘性阻尼，提出一种基于ANSYS的振动特性分析方法，且仿真计算与试验结果吻合较好。Nassar等通过试验分析了拧紧速度等因素对螺栓连接性能的影响，提高了估算其夹紧力的可靠性。李占营等对柔性卡箍的实际结构进行分析，得出卡箍横向刚度具有分段线性的特点，并进一步分析了其对振动响应的影响。Qiu等基于有限元法分析影响螺栓连接性能的各项参数，研究结果表明预紧力是最为主要的参数。Gao等采用梁单元模拟管路，弹簧模拟卡箍的形式建立卡箍管路系统模型，并通过试验验证了模型的有效性。Rao和Wei基于有限元提出反推螺栓预紧力的算法，获得了螺栓不松动的预紧力范围。Kim等采用有限元软件通过不同的建模方法建立了带有螺栓连接的结构，结果表明采用实体螺栓模型的计算结果最为准确。由以上的文献分析可知，对于航发外部管路卡箍的约束模型中，大多考虑了卡箍约束的边界条件，但并未考虑卡箍螺栓预紧的影响，与实际结构存在一定的差距。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题针对现有模型存在的与实际结构存在差异的技术问题，本专利技术提供一种考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法，其包括以下步骤：建立管路卡箍约束的实体接触有限元模型，并对管路弹性模量通过自由模态试验进行修正，得到修正后的管路模型；在设定的拧紧力矩下对固有频率进行仿真计算，采用模态试验和基础激励响应试验对仿真计算进行验证；分析螺栓拧紧力矩、卡箍跨距及管体长度对双卡箍管路系统固有频率的影响规律。优选的，基于ANSYS有限元软件，建立了管路卡箍约束的实体接触有限元模型；管体、金属橡胶及卡箍箍带均选用Solid45实体单元进行网格划分，共有46690个节点，43156个单元；金属橡胶与箍带间采用的是共节点操作，模拟真实焊接结构；金属橡胶与管路间为标准接触，其中金属橡胶面为接触面，管路面为目标面，接触单元与目标单元分别选用Conta174和Targe170单元；卡箍螺栓部分采用Beam188梁单元建模，每个螺栓划分为4个单元，5个节点，在螺栓中心节点添加Prets179预紧力单元，模拟卡箍螺栓的预紧效果；螺栓头部与螺栓台采用刚性区域模拟，即螺栓头部与箍带相接触的区域的所有节点，采用刚性区绑定在一起；对上箍带边缘3个节点的位移约束为0，达到固定约束的目的。优选的，模态试验为通过锤击法获得管路系统固有频率及振型。优选的，仿真模型选用修正后的有限元模型，在螺栓上施加不同拧紧力矩，分析管路卡箍螺栓在不同拧紧力矩下的固有频率。优选的，通过固定管路一端卡箍，调整另外一端卡箍位置，分析管路在不同卡箍跨距下，管路系统2000Hz以内的固有频率，并通过试验验证仿真计算的准确性。优选的，分析不同长度的管路在不同的拧紧力矩下的基频变化规律。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法，以航发管路卡箍约束模型为研究对象，采用有限元接触模型且与试验相结合的方式进行对比研究，此种建模方法计算结果准确，与实际结构相符。附图说明图1为本专利技术具体实施方式提供的考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法的流程示意图；图2为本专利技术具体实施方式提供的锤击试验设备的结构示意图，图中未示出力锤；图3为本专利技术具体实施方式提供的试验振型和仿真振型的对比示意图，其中图3a为试验振型，图3b为仿真振型；图4为本专利技术具体实施方式提供的仿真与试验振动响应对比，其中图4a为时域对比，图4b为频域对比；图5为本专利技术具体实施方式提供的仿真与试验振动响应对比，其中图5a为x方向前2阶，图5b为y方向前2阶；图6为本专利技术具体实施方式提供的卡箍管路系统在基础激励下的振动测试系统；图7为本专利技术具体实施方式提供的不同跨距下频响函数；图8为本专利技术具体实施方式提供的拧紧力矩对不同长度管路固有特性影响，其中，图8a、图8b、图8c的管长分别为0.2m、0.4m和0.6m。【附图标记说明】1：卡箍；2：管路；3：采集加速度传感器；4：振动台反馈加速度传感器；5：夹具。具体实施方式为了更好的解释本专利技术，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本专利技术作详细描述。如图1所示，本专利技术公开了一种考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法，包括以下步骤：建立管路卡箍约束的实体接触有限元模型，并对管路弹性模量通过自由模态试验进行修正，得到修正后的管路模型。在设定的拧紧力矩下对固有频率进行仿真计算，采用模态试验和基础激励响应试验对仿真计算进行验证。分析螺栓拧紧力矩、卡箍跨距及管体长度对双卡箍管路系统固有频率的影响规律。该方法具体的如以下所述：1有限元模型的建立1.1实体模型的建立考虑卡箍管路系统的实际结构，基于ANSYS有限元软件，建立了管路卡箍约束的实体接触有限元模型选用模型为双卡箍夹持管路模型，其中管体的结构尺寸参数如下：外径8mm，内径6.4mm，长度500mm，卡箍跨距450mm且对称分布。管路金属橡胶卡箍为航发外部管路标准卡箍，相应管路及卡箍的材料参数见表1。表1管路及卡箍材料参数管体、金属橡胶及卡箍箍带均选用Solid45实体单元进行网格划分，共有46690个节点，43156个单元。金属橡胶与箍带间采用的是共节点操作，模拟真实焊接结构；金属橡胶与管路间为标准接触，其中金属橡胶面为接触面，管路面为目标面，接触单元与目标单元分别选用Conta174和Targe170单元；卡箍螺栓部分采用Beam188梁单元建模，每个螺栓划分为4个单元，5个节点，在螺栓中心节点添加Prets179预紧力单元，模拟卡箍螺栓的预紧效果；螺栓头部与螺栓台采用刚性区域模拟，即螺栓头部与箍带相接触的区域的所有节点，采用刚性区绑定在一起；考虑到拧紧后上下箍带的实际接触长度，对上箍带边缘3个节点的位移约束为0，达到固定约束的目的。1.2管体弹性模量优化由于自购管路制造精度难以精确保证，因此对管路弹性模量通过自由模态试验进行修正。采用1阶优化算法对最佳弹性模量进行寻优，优化范围1.8×1011～2.4×1011Pa，迭代次数50次，初值为2.04×1011Pa。优化后的弹性模量结果为1.99×1011Pa，其中前8阶固有频率对比结果见表2。表2实验与优化结果对比2模型验证2.1模态试验验证采用上节修正后的管路模型，考虑卡箍螺栓的预紧力效应对管路固有特性的影响，在7N·m拧紧力矩下对固有频率进行仿真计算，采用经验公式F＝(T+1)/(0.22×d)计算预紧力，其中T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法，其特征在于：包括以下步骤：建立管路卡箍约束的实体接触有限元模型，并对管路弹性模量通过自由模态试验进行修正，得到修正后的管路模型；在设定的拧紧力矩下对固有频率进行仿真计算，采用模态试验和基础激励响应试验对仿真计算进行验证；分析螺栓拧紧力矩、卡箍跨距及管体长度对双卡箍管路系统固有频率的影响规律。

【技术特征摘要】
1.一种考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法，其特征在于：包括以下步骤：建立管路卡箍约束的实体接触有限元模型，并对管路弹性模量通过自由模态试验进行修正，得到修正后的管路模型；在设定的拧紧力矩下对固有频率进行仿真计算，采用模态试验和基础激励响应试验对仿真计算进行验证；分析螺栓拧紧力矩、卡箍跨距及管体长度对双卡箍管路系统固有频率的影响规律。2.根据权利要求1所述的考虑螺栓连接的航发管路建模及振动特性分析方法，其特征在于，基于ANSYS有限元软件，建立了管路卡箍约束的实体接触有限元模型；管体、金属橡胶及卡箍箍带均选用Solid45实体单元进行网格划分，共有46690个节点，43156个单元；金属橡胶与箍带间采用的是共节点操作，模拟真实焊接结构；金属橡胶与管路间为标准接触，其中金属橡胶面为接触面，管路面为目标面，接触单元与目标单元分别选用Conta174和Targe170单元；卡箍螺栓部分采用Beam188梁单元建模，每个螺栓划分为4个单元，5个节点，在螺栓中心节...

【专利技术属性】
技术研发人员：马辉，柴清东，朴玉华，吴文轩，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21