一种基于螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳固有特性分析方法技术

本发明专利技术属于机械动力学技术领域，尤其涉及基于螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳固有特性分析方法。该方法给出本系统的能量泛函表达式，并通过哈密顿变分和有限元离散化得到含接触问题的系统自由振动微分方程，进而得到含接触的静力学方程；通过得到的静力学方程求出初应力矩阵，然后结合系统质量矩阵，基于QR模态求解算法，得到系统的固有频率和相应振型；根据制导炸弹、导弹弹体结构，以简化的螺栓连接‑吊挂式薄壁柱壳结构为研究对象，建立其有限元模型；对螺栓连接的接触压力分布进行测量，将试验结果与仿真结果进行了对比验证；约束模态的振型不同于自由模态，在约束模态下将试验结果与仿真结果进行了对比验证。该方法具有较高的准确性和效率。

A Natural Characteristic Analysis Method of Suspended Thin-walled Cylindrical Shell Based on Bolt Connection

【技术实现步骤摘要】
一种基于螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳固有特性分析方法
本专利技术属于机械动力学
，尤其涉及一种基于螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳固有特性分析方法。
技术介绍
螺栓连接薄壁柱壳结构应用较为广泛，如制导炸弹、导弹弹体均采用柱壳结构建模，并且各舱段之间多采用螺栓连接结构。螺栓连接结构导致整个系统具有不连续性，进而影响到系统的安全性、可靠性。此外，弹体在飞行过程中还可能因结构参数设计的不合理，在气流扰动下诱发共振，进而对弹体造成毁灭性破坏。因此，有必要对螺栓连接的薄壁柱壳结构进行准确的动力学特性分析。目前，螺栓连接薄壁柱壳结构建模方法主要包含解析方法、传递矩阵法、有限元法和试验法。Liu等基于界面接触理论，建立了螺栓连接薄壁筒结构的三维有限元模型。Tanlak等基于梁-壳单元建立了简化的螺栓连接模型。Boeswald等建立了螺栓连接薄壁壳结构的非线性有限元模型。文献提出了无螺栓建模、混合建模及实体建模等多种建模方法，其中，基于接触的预应力法可考虑预应力对螺栓连接接触非线性的影响。Hartwigsen等采用锤击法研究了单螺栓搭接结构的模态特性和冲击特性。陈学前等研究了基础激励作用下结构的非线性振动特性。Li等研究了螺栓松动边界条件下对薄圆柱壳非线性模态特性影响。以上研究表明，现有关于螺栓薄壁柱壳结构的参数化建模，多采用周期对称的螺栓薄壁柱壳模型进行相关研究，较少考虑吊挂结构处螺栓连接的影响，而制导炸弹、导弹等多采用吊挂结构对其进行约束，因此现有的方法存在准确性差和效率低的问题，因此，有必要对螺栓连接-吊挂式柱壳结构进行振动特性的研究。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题针对现有存在的准确性差和效率低的技术问题，本专利技术提供一种基于螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳固有特性分析方法。(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：一种基于螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳固有特性分析方法，其中：S1:给出本系统的能量泛函表达式，并通过哈密顿变分和有限元离散化得到含接触问题的系统自由振动微分方程，进而得到含接触的静力学方程；S2:通过得到的静力学方程求出初应力矩阵，然后结合系统质量矩阵，基于QR模态求解算法，得到系统的固有频率和相应振型；S3:根据制导炸弹、导弹弹体结构，以简化的螺栓连接-吊挂式薄壁柱壳结构为研究对象，建立其有限元模型；S4:对螺栓连接的接触压力分布进行测量，将试验结果与仿真结果进行了对比验证；S5:约束模态的振型不同于自由模态，在约束模态下将试验结果与仿真结果进行了对比验证。优选的，在步骤S3中，建立有限元模型具体的包括以下步骤：S31:分别采用梁-壳混合单元和全实体单元进行有限元建模，并对比了相关计算精度和效率；S32:在全实体模型中，螺母、螺栓头与法兰的接触通过接触单元Conta174和目标单元Targe170建立绑定接触对，而法兰之间的接触对则是采用相同的单元Conta174-Targe170建立标准接触且界面摩擦系数设置为0.2；S33:在梁-壳混合模型中，整体建模采用壳单元，螺栓建模采用梁单元，法兰间的界面接触通过Conta174-Targe170单元构建标准接触，螺母-法兰/螺栓头-法兰作用区域采用梁的端节点与作用区域刚性绑定来进行模拟；S34:在保证求解精度的条件下，梁-壳混合单元建模比实体单元建模的求解效率更高。优选的，在步骤S5中，约束模态的振型不同于自由模态，其周向波数主要发生在高频，而低频主要表现为俯仰或周向波数较少的振型，且轴向波数较少。优选的，在步骤S5中，吊挂处螺栓连接预紧力不变的情况下，法兰处螺栓预紧力对系统固有频率的影响:随着螺栓预紧力的增大，系统的固有频率不断增大。优选的，在步骤S5中，法兰处螺栓连接预紧力不变的情况下，吊挂处螺栓预紧力对系统固有频率的影响:随着预紧力的增大，系统固有频率不断提高。优选的，在步骤S4中，选用FUJIFILM压力测量胶片对螺栓连接的接触压力分布进行测量。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的以含螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳为研究对象，建立了系统的全实体/梁-壳混合有限元模型。基于所建立的模型，分析讨论了自由/约束边界，法兰/吊挂处预紧力对系统固有特性的影响，并通过试验进行了对比验证。该方法具有以下优点：(1)所建立的有限元模型能较好地模拟螺栓连接处界面接触压力及其分布情况；(2)在保证一定精度的前提下，梁-壳混合模型较全实体模型的计算效率高效；(3)法兰处螺栓预紧力对系统第5-8阶固有频率影响较大，而吊挂处螺栓预紧力对系统前3阶固有频率影响较大。附图说明图1为本专利技术具体实施方式提供的预应力模态法求解系统固有特性的流程图；图2为本专利技术具体实施方式提供的螺栓连接-吊挂式薄壁柱壳结构几何参数；图3为本专利技术具体实施方式提供的螺栓连接薄壁圆柱壳结构有限元模型，其中，图3a为自由边界状态下，图3b为约束边界状态下；图4为本专利技术具体实施方式提供的试验结果与仿真结果对比图；图5为本专利技术具体实施方式提供的自由边界条件下仿真与试验前8阶振型图对比图，图中fni表示第i阶仿真振型图，fni＇表示第i阶试验振型图；图6为本专利技术具体实施方式提供的约束边界条件下仿真与试验前8阶振型图对比，图中fni表示第i阶仿真振型图，fni＇表示第i阶试验振型图；图7为本专利技术具体实施方式提供的法兰螺栓处不同预紧力下系统的固有频率；图8为本专利技术具体实施方式提供的约束位置处不同螺栓预紧力下系统的固有频率。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。本专利技术公开了一种基于螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳固有特性分析方法，其具体的包括以下步骤：S1:给出本系统的能量泛函表达式，并通过哈密顿变分和有限元离散化得到含接触问题的系统自由振动微分方程，进而得到含接触的静力学方程；S2:通过得到的静力学方程求出初应力矩阵，然后结合系统质量矩阵，基于QR模态求解算法，得到系统的固有频率和相应振型；S3:根据制导炸弹、导弹弹体结构，以简化的螺栓连接-吊挂式薄壁柱壳结构为研究对象，建立其有限元模型；S4:对螺栓连接的接触压力分布进行测量，将试验结果与仿真结果进行了对比验证；S5:约束模态的振型不同于自由模态，在约束模态下将试验结果与仿真结果进行了对比验证。上述方法具体的包括以下步骤：1数学模型及其验证1.1预应力模态在螺栓连接中，由于接触压力分布的不均、接触面积的变化、接触面间摩擦力的存在等均会导致界面接触的非线性。接触问题实际上是通过求解满足系列接触约束边界条件下能量最小值的位移最优解，并通过位移最优解导出其他解。本部分仅涉及求解螺栓预紧力作用下系统的固有特性。图1简要给出了预应力模态法求解系统固有特性的流程图。1.2模型建立及对比在本实施方式中，根据制导炸弹、导弹弹体结构，以简化的螺栓连接-吊挂式薄壁柱壳结构为研究对象，基于ANSYS软件建立了其有限元模型(如图3所示)。值得说明的是，在本实施方式中为了提高计算效率，分别采用梁-壳混合单元(Shell181-Beam188)和全实体单元(Solid185)进行有限元建模，并对比了相关计算精度和效率(见表1)。相关几何参数设置见图2。模型的材料参数设置如下：弹性模量E＝195GPa，泊松比υ＝0.25，密本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳固有特性分析方法，其特征在于：S1:给出本系统的能量泛函表达式，并通过哈密顿变分和有限元离散化得到含接触问题的系统自由振动微分方程，进而得到含接触的静力学方程；S2:通过得到的静力学方程求出初应力矩阵，然后结合系统质量矩阵，基于QR模态求解算法，得到系统的固有频率和相应振型；S3:根据制导炸弹、导弹弹体结构，以简化的螺栓连接‑吊挂式薄壁柱壳结构为研究对象，建立其有限元模型；S4:对螺栓连接的接触压力分布进行测量，将试验结果与仿真结果进行了对比验证；S5:约束模态的振型不同于自由模态，在约束模态下将试验结果与仿真结果进行了对比验证。

【技术特征摘要】
1.一种基于螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳固有特性分析方法，其特征在于：S1:给出本系统的能量泛函表达式，并通过哈密顿变分和有限元离散化得到含接触问题的系统自由振动微分方程，进而得到含接触的静力学方程；S2:通过得到的静力学方程求出初应力矩阵，然后结合系统质量矩阵，基于QR模态求解算法，得到系统的固有频率和相应振型；S3:根据制导炸弹、导弹弹体结构，以简化的螺栓连接-吊挂式薄壁柱壳结构为研究对象，建立其有限元模型；S4:对螺栓连接的接触压力分布进行测量，将试验结果与仿真结果进行了对比验证；S5:约束模态的振型不同于自由模态，在约束模态下将试验结果与仿真结果进行了对比验证。2.根据权利要求1所述的基于螺栓连接的吊挂式薄壁柱壳固有特性分析方法，其特征在于，在步骤S3中，建立有限元模型具体的包括以下步骤：S31:分别采用梁-壳混合单元和全实体单元进行有限元建模，并对比了相关计算精度和效率；S32:在全实体模型中，螺母、螺栓头与法兰的接触通过接触单元Conta174和目标单元Targe170建立绑定接触对，而法兰之间的接触对则是采用相同的单元Conta174-Targe170建立标准接触且界面摩擦系数设置为0.2；S33:在梁-壳混合模型中，整体建模...

【专利技术属性】
技术研发人员：马辉，付强，于明月，李坤，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21