一种机械结构冲击强度分析方法技术

本发明专利技术公开了一种机械结构冲击强度分析方法，依次包括3D模型简化，材料属性设置，有限元分析前的网格划分，评估网格质量，边界条件设置，约束与连接分析，冲击响应谱载荷施加，对三维数字化模型进行模态仿真分析，评估模态参数，冲击响应谱分析，结果后处理等步骤；相比现有技术，本发明专利技术分析方法可以极大简化计算量，节省计算时间和硬件成本。节省计算时间和硬件成本。节省计算时间和硬件成本。

【技术实现步骤摘要】
一种机械结构冲击强度分析方法


[0001]本专利技术属于机械系统动力学
，涉及机械振动技术，具体为一种机械结构的冲击强度分析方法。

技术实现思路

[0002]机械冲击是导致机械结构破坏的原因之一。在产品设计中，机械结构的抗冲击强度是评价产品性能的关键指标。目前，评价产品的抗冲击性能的最主要的办法就是做冲击振动试验，存在的缺点是没有在产品设计阶段进行抗冲击强度分析验证，往往会出现抗冲击强度不足而需要重新设计，或者为了保证抗冲击强度而过设计，使得产品尺寸、质量等过大。
[0003]冲击强度分析是对机械结构进行的一种力学分析，目的是验证机械设计中的结构力学性能是否满足要求，如果满足了，是否存在过设计、还有多少减重优化空间，如果不满足，则根据薄弱部位的仿真结果再优化。意义在于设计阶段就解决结构的力学性能问题，以缩短研发周期，降低人力物力成本。
[0004]在产品设计阶段，采用计算机仿真分析技术进行抗冲击强度验证是提高产品抗冲击性能和产品优化设计的有效解决措施。CN106777490B公布了一种基于基底大质量法的艉轴密封装置抗冲击计算方法，但其由于其环境背景和实施条件限制，应用范围太小；CN113742955A公布了一种基于冲击谱和有限元计算的舰船继电器抗冲击性能优化方法，但受限于其计算方法，也不具有很好的应用价值。

技术实现思路

[0005][0006]本专利技术提供了一种机械结构的冲击强度分析方法，以快速有效地评价产品机械结构的抗冲击强度，同时具有广泛的适用性。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种机械结构冲击强度分析方法，主要包括以下步骤：
[0008]步骤S1，3D模型简化：将机械结构的三维数字化模型进行简化处理，去掉对受力影响不大的部件或结构特征，得到包括但不限于单个部件、多体的单部件或者多个部件的装配体的简化模型；
[0009]步骤S2，材料属性设置：对包括材料的弹性模量、密度、泊松比、阻尼、屈服强度在内的材料属性进行设置；
[0010]步骤S3，有限元分析前的网格划分：将三维数字化模型划分成有限个单元体，对单元体进行网格划分得到经过网格划分后的3D模型，其中单元体的类型为四面体、六面体或三棱柱；
[0011]步骤S4，评估网格质量是否满足计算要求，若不满足，则返回步骤S3重新划分网格，若满足则进入下一步；
[0012]步骤S5，边界条件设置：对机械结构进行包括位移边界条件、应力边界条件、接触参数在内的边界条件进行设置，对位移边界和应力边界条件等进行设置是有限元分析的前处理工作；
[0013]步骤S6，冲击响应谱载荷施加：根据分析的需求在一个或多个方向对三维数字化模型施加冲击载荷；
[0014]令机械结构对冲击振动的微分方程为式中ξ为结构阻尼比，其取值范围0.01～0.1，δ(t)为单位幅值冲击载荷，A为冲击载荷的幅值；
[0015]根据冲击载荷的傅里叶变换公式将冲击载荷转换成有限个谐波分量，便于冲击响应的计算，将公式中的谐波分量提取m个谐波分量近似替代原单位幅值冲击载荷，控制误差5％以内，得到冲击振动微分方程冲击载荷其中一个分量的稳态响应的计算式分别取固有频率ω
n
为ω1、ω2、ω3、
…
、ω
k
，对于每一阶结构的固有频率，冲击载荷各级谐波分量的响应分别为x1、x2、x3、
…
、x
m
，其最大频率响应为：
[0016]y1＝max{x1,x2,x3,
…
,x
m
}
[0017]y2＝max{x1,x2,x3,
…
,x
m
}
[0018]y3＝max{x1,x2,x3,
…
,x
m
}
[0019]…
[0020]y
k
＝max{x1,x2,x3,
…
,x
m
}；
[0021]根据数据处理后得到各阶固有频率与冲击载荷各级谐波分量的最大加速度响应的对应关系，得到转换后的冲击响应谱；
[0022]步骤S7，对三维数字化模型进行模态仿真分析，得到包括模态振型、固有频率、模态参与系数在内的模态参数；
[0023]步骤S8，评估包括固有频率的范围、模态参与系数在内的模态参数是否满足计算精度的要求，若不满足要求则返回步骤S7调整模态分析参数，重新计算，若满足则进入下一步；
[0024]步骤S9，根据需求可采用单点响应谱或多点响应谱，设置模态合并方法、载荷的缩放系数进行冲击响应谱分析；
[0025]步骤S10，处理分析结果，得到机械结构的应力分布云图、位移云图以及沿指定路径方向的应力曲线；
[0026]步骤S11，提取应力集中部位的应力值；
[0027]步骤S12，判定各应力值是否为应力奇异点，若存在应力奇异，则返回步骤S3，重新
调整网格划分方法、网格参数等，重新划分网格；
[0028]步骤S13，将得到的应力值与材料的强度极限进行对比，输出分析结果。
[0029]所述的一种机械结构冲击强度分析方法，其步骤S1中多个部件的装配体的简化模型的部件间采用线性接触连接；多体的单部件的简化模型的多体之间采用共节点方式连接；优选采用共节点壁面耦合方式作为多体间的连接。
[0030]所述的一种机械结构冲击强度分析方法，其步骤S3的网格划分中，板类结构在壁厚方向的网格层数不少于3。
[0031]所述的一种机械结构冲击强度分析方法，其步骤S4的网格质量评估中，网格的长宽比不大于5，网格翘曲度不大于15
°
，网格偏斜角不大于60
°
。
[0032]所述的一种机械结构冲击强度分析方法，其步骤S5包括：
[0033]步骤S5a，约束与连接分析：分析机械结构与外部的连接关系，以转化成可用于分析计算的力学边界条件；
[0034]步骤S5b，提取边界条件，用于选取等效的物理连接类型或约束，用来等效替代步骤S5a中的约束与连接。
[0035]所述的一种机械结构冲击强度分析方法，其步骤S6包括：
[0036]步骤S6a，根据需求或冲击载荷的特征，选择冲击载荷的时域波形，其中冲击载荷类型包括但不限于半正弦冲击载荷、锯齿波形冲击载荷、梯形波冲击载荷，及其近似波形，或这几种波形的线性叠加组成的波形；
[0037]步骤S6b，设置包括冲击载荷持续时间、冲击加速度的幅值等在内的冲击载荷参数；
[0038]步骤S6c，将时域的冲击载荷转换成频域载荷的冲击响应谱。
[0039]所述的一种机械结构冲击强度分析方法，其步骤S6中各阶固有频率与冲击载荷各级谐波分量的最大加速度响应的对应关系，如下表所述：
[0040]固有频率ω1ω2ω3…
ω
k
加速度响应值y1y2y3…
y本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机械结构冲击强度分析方法，其特征在于：包括以下步骤步骤S1，将机械结构的三维数字化模型进行简化处理，去掉对受力影响不大的部件或结构特征，得到包括单个部件、多体的单部件或者多个部件的装配体的简化模型；步骤S2，对包括弹性模量、密度、泊松比、阻尼、屈服强度在内的材料属性进行设置；步骤S3，将三维数字化模型划分成有限个单元体，对单元体进行网格划分，其中单元体的类型为四面体、六面体或三棱柱；步骤S4，评估网格质量是否满足计算要求，若不满足，则返回步骤S3重新划分网格，若满足则进入下一步；步骤S5，对机械结构进行包括位移边界条件、应力边界条件、接触参数在内的边界条件进行设置；步骤S6，在一个或多个方向对三维数字化模型施加冲击载荷；令机械结构对冲击振动的微分方程为式中ξ为结构阻尼比，其取值范围0.01～0.1，δ(t)为单位幅值冲击载荷，A为冲击载荷的幅值；根据冲击载荷的傅里叶变换公式将冲击载荷转换成有限个谐波分量，将公式中的谐波分量提取m个谐波分量近似替代原单位幅值冲击载荷，控制误差5％以内，得到冲击振动微分方程冲击载荷一个分量的稳态响应的计算式为分别取固有频率ω
n
为ω1、ω2、ω3、
…
、ω
k
，对于每一阶结构的固有频率，冲击载荷各级谐波分量的响应分别为x1、x2、x3、
…
、x
m
，其最大频率响应为：y1＝max{x1,x2,x3,
…
,x
m
}y2＝max{x1,x2,x3,
…
,x
m
}y3＝max{x1,x2,x3,
…
,x
m
}
…
y
k
＝max{x1,x2,x3,
…
,x
m
}；根据数据处理后得到各阶固有频率与冲击载荷各级谐波分量的最大加速度响应的对应关系，得到转换后的冲击响应谱；步骤S7，对三维数字化模型进行模态仿真分析，得到包括模态振型、固有频率、模态参与系数在内的模态参数；步骤S8，评估模态参数是否满足计算精度的要求，若不满足要求则返回步骤S7调整模态分析参数，重新计算，若满足则进入下一步；步骤S9，采用单点响应谱或多点响应谱，设置模态合并方法、载荷的缩放系数进行冲击
响应谱分析；步骤S10，处理分析结果，得到机械结构的应力分布云图、位移云图以及沿指定路径方向的应力曲线...

【专利技术属性】
技术研发人员：别瑜，彭俊荣，肖霆，李宇阳，张艺耀，
申请(专利权)人：武汉船用电力推进装置研究所中国船舶重工集团公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：