一种机械结合面切-法向耦合力学建模方法技术

本发明专利技术涉及连接结构力学特性领域，特别涉及一种机械结合面切‑法向耦合力学建模方法。该方法首先获取获取机械结合部接触表面的分形维数和分形特征尺度，然后获取结合面的法向总载荷，并计算接触表面上微凸体的最大接触面积，进而建立每一对互相接触的微凸体的切向黏‑滑状态判断方程，最终建立耦合法向接触特征的结合面切向迟滞力学模型；所建立的模型可应用于机械连接结构的动力学建模与求解等问题。本发明专利技术充分考虑了接触表面的微观形貌特征和结合面的法向接触特性，实现了结合面的切‑法向静动态、跨尺度建模，能够准确模拟机械结合面的切‑法向力学行为，为整个结构的动力学建模提供优化方法，并为连接结构的可靠性设计提供指导。

【技术实现步骤摘要】
一种机械结合面切-法向耦合力学建模方法
本专利技术涉及连接结构力学特性领域，特别涉及一种机械结合面切-法向耦合力学建模方法。
技术介绍
机械系统中存在着大量的连接结构，而组成连接结构的各部件之间通过结合面装配在一起，最典型的有航空发动机、燃气轮机、数控机床等。结合面的存在不仅破坏了结构的连续性，而且引入了大量的非线性因素，严重影响整个结构的动态特性，降低结构的稳定性。研究表明，机械系统中结合面提供了大约60％-80％的刚度弱化，带来了90％的阻尼。结合面在承受交变载荷时，会表现出复杂的切-法向力学行为，严重影响整体结构乃至整个机械系统的性能。因此，对机械连接结构结合面的力学行为进行准确模拟，具有重要的理论意义和工程应用价值。目前，主流的粗糙表面法向接触模型有两种：基于分形几何理论的法向接触模型和基于统计分析的法向接触模型，其中，基于分形几何理论的法向接触模型发展更广；而结合面切向力学模型主要有Iwan模型、Valanis模型和LuGre毛刷模型等，其中Iwan模型得到了广泛应用。在实际情况中，机械结合面的切-法向力学行为显然是相互耦合、互相影响的，但目前大多数情况下，结合面的法向和切向力学建模过程相互独立，未能联系在一起，因此，对结合面力学行为的模拟准确性较低，具有较大的局限性。综上所述，亟需一种机械结合面切-法向耦合力学建模方法，以实现复杂载荷下结合面切向和法向力学行为的准确耦合模拟。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述现有方法的不足，解决机械结合面切、法向力学行为准确建模的技术问题，提出一种机械结合面切-法向耦合力学建模方法。本专利技术对机械结合面的切-法向力学行为进行准确模拟，为整个结构的动力学建模提供优化方法，并为连接结构的可靠性设计提供指导。本专利技术提出一种机械结合面切-法向耦合力学建模方法，其特征在于，包括如下步骤：1)获取机械结合部接触表面的分形维数D和分形特征尺度G；2)获取结合面的法向总载荷P，计算接触表面上微凸体的最大接触面积aL；3)将结合面分为N对互相接触的微凸体，建立每对互相接触的微凸体的切向黏-滑状态判断方程；其中，每对互相接触的微凸体的切向黏-滑状态判断方程为：其中，f表示互相接触的微凸体之间的切向力，x表示结合面之间的切向相对位移，k表示弹簧滑块单元中弹簧的刚度，μ表示结合面之间的摩擦系数，pi表示第i对互相接触的微凸体之间的法向载荷；pi的计算表达式如下：pi＝p1·qi-1,i＝1,2,···,N其中，N表示互相接触的微凸体的总对数，N≥10；将接触面积为最大接触面积aL的一对互相接触的微凸体作为第1对微凸体，p1为第1对互相接触的微凸体之间的法向载荷；E表示材料的等效弹性模量，计算表达式如下：其中，E1、E2为结合面两种材料的弹性模量，v1、v2为结合面两种材料的泊松比；q表示相邻两对微凸体之间法向载荷的比值，计算表达式如下：4)建立耦合法向接触特征的结合面切向迟滞力学模型；其中，结合面切向迟滞力学模型分为三段，具体如下：4-1)初次加载阶段的力学模型表达式如下：4-2)卸载阶段的力学模型表达式如下：4-3)反向加载阶段的力学模型表达式如下：其中，Finload表示初次加载阶段结合面之间的恢复力，Funload表示卸载阶段结合面之间的恢复力，Freload表示反向加载阶段结合面之间的恢复力，x表示结合面之间的切向相对位移，表示结合面之间切向相对运动的速度，表示运动方向为正向，表示运动方向为反向，j表示发生切向滑动的互相接触的微凸体的对数，0≤j≤N；krs表示结合面之间的切向残余刚度，A表示结合面之间切向相对位移的幅值；式(1)-(3)即为最终建立的结合面切-法向耦合力学模型。本专利技术的特点及有益效果在于：1、本专利技术提出了一种机械结合面切-法向耦合力学建模方法，将粗糙表面的法向接触模型引入机械结合面的切向迟滞力学建模中，充分考虑了接触表面的微观形貌特征和结合面的法向载荷，能够更加准确地模拟机械连接结构的力学行为。2、本专利技术所提出的结合面切-法向耦合力学建模方法适用于绝大多数的粗糙表面法向接触模型，并不限于基于分形几何理论的法向接触模型，更不限于本专利技术所提供的实施例，其适用范围较广。3、本专利技术所提出的结合面切-法向耦合力学建模方法，耦合了微观角度的法向静态接触和宏观角度的切向黏-滑运动，实现了结合面的静-动态、跨尺度建模，更加贴近实际情况，准确性更高。4、本专利技术所提出的结合面切-法向耦合力学建模方法，特别适用于机械系统中的预紧连接结构，能够准确描述结合面的切-法向力学行为，为整个结构的动力学建模提供优化方法，同时为连接结构的可靠性设计提供指导。附图说明图1为本专利技术实施例的一种机械结合面切-法向耦合力学建模方法的整体流程图；图2为本专利技术实施例的一对互相接触的微凸体的切向黏-滑运动原理示意图；图3为本专利技术实施例的整个结合面的切向黏-滑运动原理示意图；图4为本专利技术实施例的结合面切向迟滞力学模型的恢复力-位移关系示意图；图5为本专利技术实施例的螺栓搭接梁结构示意图。具体实施方式本专利技术提出一种机械结合面切-法向耦合力学建模方法，下面结合附图和具体实施例对本专利技术进一步详细说明如下。为使本专利技术的预定专利技术目的、所采取的技术方案及手段、本专利技术的优点更加清楚，下面结合本专利技术实施例及附图进行详细描述。下述参照附图对本专利技术实施方式的说明旨在对本专利技术的总体专利技术构思进行解释，并非用来对本专利技术加以限制。本专利技术提出一种机械结合面切-法向耦合力学建模方法，整体流程如图1所示，包括以下步骤：1)获取机械结合部接触表面的分形维数D和分形特征尺度G；具体方法如下：首先，在机械结合部中选定的接触表面上任意取n个点(n≥5，本实施例取5个点)，利用表面形貌仪测量各点的轮廓曲线；然后，利用功率谱法或结构函数法分别拟合计算出n个点分别对应的分形维数D1、D2、……、Dn，以及分形特征尺度G1、G2、……、Gn；则整个接触表面的分形维数D和分形特征尺度G的计算表达式如下：其中，下标s表示第s个点。该选定的接触表面为组成结合面的两个接触表面中较软材料的接触表面。本实施例中，利用功率谱法或结构函数法分别拟合计算出5个点分别对应的的分形维数D1、D2、D3、D4、D5，以及分形特征尺度G1、G2、G3、G4、G5；则整个接触表面的分形维数D和分形特征尺度G的计算表达式如下：所述功率谱法和结构函数法对粗糙表面分形维数D和分形特征尺度G的拟合精度较高，计算结果较准确，且目前已有清晰的原理和成熟的实施手段，因此，本专利技术并不对其加以限制。2)获取结合面的法向总载荷P，计算接触表面上微凸体的最大接触面积aL；结合面的法向总本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机械结合面切-法向耦合力学建模方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)获取机械结合部接触表面的分形维数D和分形特征尺度G；/n2)获取结合面的法向总载荷P，计算接触表面上微凸体的最大接触面积a

【技术特征摘要】
1.一种机械结合面切-法向耦合力学建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取机械结合部接触表面的分形维数D和分形特征尺度G；
2)获取结合面的法向总载荷P，计算接触表面上微凸体的最大接触面积aL；
3)将结合面分为N对互相接触的微凸体，建立每对互相接触的微凸体的切向黏-滑状态判断方程；
其中，每对互相接触的微凸体的切向黏-滑状态判断方程为：



其中，f表示互相接触的微凸体之间的切向力，x表示结合面之间的切向相对位移，k表示弹簧滑块单元中弹簧的刚度，μ表示结合面之间的摩擦系数，pi表示第i对互相接触的微凸体之间的法向载荷；
pi的计算表达式如下：



pi＝p1·qi-1,i＝1,2,···,N
其中，N表示互相接触的微凸体的总对数，N≥10；将接触面积为最大接触面积aL的一对互相接触的微凸体作为第1对微凸体，p1为第1对互相接触的微凸体之间的法向载荷；
E表示材料的等效弹性模量，计算表达式如下：



其中，E1、E2为结合面两种材料的弹性模量，v1、v2为结合面两种材料的泊松比；
q表示相邻两对微凸体之间法向载荷的比值，计算表达式如下：



4)建立耦合法向接触特征的结合面切向迟滞力学模型；
其中，结合面切向迟滞力学模型分为三段，具体如下：
4-1)初次加载阶段的力学模型表达式如下：



4-2)卸载阶段的力学模型表达式如下：



4-3)反向加载阶段的力学模型表达式如下：



其中，Finload表示初次加载阶段结合面之间的恢复力，Funload表示卸载阶段结合面之间的恢复力，Freload表示反向加载阶段结合面之间的恢复力，x表示结合...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦朝烨，宗凯，褚福磊，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11