【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及異種材料機械連接件的結合面壓力分布預測方法，具體涉及一種用于鋁-鋼螺栓連接件動力學分析的結合面壓力分布預測方法。
技術介紹
1、螺栓連接作為一種可靠的連接方式，在機械結構連接中得到廣泛應用。螺栓連接件通過接觸界面傳遞載荷和運動，結合面的力學性能制約著結構整體性能的發揮。在螺栓連接件的動態工況中，螺栓預緊力往往發生變化導致結合面壓力分布難以表征量化，而結合面壓力分布對于螺栓連接結合面連接剛度以及動力學性能具有重要影響。因此，提出一個便于數學表征以及計算分析的壓力分布模型，進而對螺栓連接件整體動力學分析時用于實時更新結合面壓力分布等動力學參量，對螺栓連接件連接剛度的預測以及動力學性能的分析具有重要的意義。
2、目前主要通過實驗法來獲得螺栓連接的結合面壓力分布。但在進行如螺栓連接正向設計等工作場景時，獲取大量螺栓連接試驗件成本較高，通過仿真法進而進行多項式數學表征難以統計其變化規律且表征參數缺乏物理意義。因此，本專利技術以螺栓公稱直徑、鋼連接板厚度、鋁連接板厚度以及螺栓預緊力為影響因素建立鋁-鋼螺栓連接件結合面壓力分布的預測模型，根據鋁-鋼螺栓連接件的幾何參數以及螺栓預緊力對結合面壓力分布可進行實時動態預測，可有效解決上述難題。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種用于鋁-鋼螺栓連接件動力學分析的結合面壓力分布預測方法，本專利技術通過確定影響結合面壓力分布的幾何參數，確定一錨定螺栓預緊力，利用折線函數對結合面壓力分布進行數學表征，進行n組不同幾何參數下
2、為達到上述目的，本專利技術采用如下技術方案：
3、一種用于鋁-鋼螺栓連接件動力學分析的結合面壓力分布預測方法，包括以下步驟：
4、(1)根據螺栓連接件幾何特征建立螺栓連接件三維幾何模型，所述螺栓連接件為單螺栓連接結構，包含螺栓、螺母、鋼連接板以及鋁連接板，鋼連接板、鋁連接板以及螺母簡化為環形圓柱結構，螺栓頭部簡化為圓柱結構，忽略螺紋連接部分，螺栓孔隙在多組有限元靜力學分析中保持不變。
5、(2)將螺栓連接件三維幾何模型導入至有限元分析軟件中，設置螺栓連接件三維幾何模型的材料屬性，對三維幾何模型進行有限元網格劃分，鋼連接板以及鋁連接板應采用掃略網格劃分，鋼連接板以及鋁連接板在厚度方向上至少4層網格以保證分析精度，得到鋁-鋼螺栓連接件有限元模型；
6、(3)在鋁-鋼螺栓連接件有限元模型結合面上鋼連接板或鋁連接板一側創建路徑，用以輸出結合面壓力分布數據，路徑起點和終點分別為螺栓邊緣和連接板外邊緣；
7、(4)螺栓預緊力施加于在螺栓連接件有限元模型螺栓空桿表面，螺栓預緊力可設置為任意值但在后續多組有限元靜力學分析中需保持不變以作為錨定螺栓預緊力；
8、(5)對螺栓連接件的各接觸對進行定義：螺栓-螺母接觸面接觸方式為“綁定”，螺栓-連接板接觸面、螺母-連接板接觸面、鋼連接板-鋁連接板接觸面的接觸方式為“摩擦”，摩擦系數均為0.15；
9、(6)對預緊狀態下的螺栓連接件有限元模型進行靜力學分析，獲得路徑上的結合面壓力分布數據；
10、(7)基于折線函數對結合面壓力分布進行數學表征，通過最小二乘法擬合出折線函數的數學表征參數；
11、(8)改變螺栓公稱直徑、鋼連接板厚度以及鋁連接板厚度，得到n組的不同螺栓公稱直徑、鋼連接板厚度以及鋁連接板厚度組合，并作為預測模型擬合的輸入；根據n組不同的幾何參數組合修改螺栓連接件幾何尺寸并進行靜力學分析，得到n組不同的折線函數數學表征參數數據集，并作為預測模型擬合輸出；
12、(9)將螺栓公稱直徑、鋼連接板厚度以及鋁連接板厚度的幾何參數集與折線數學表征參數集進行四次多項式擬合，得到折線函數數學表征參數與幾何參數之間的數學關系式；
13、(10)將可由幾何參數預測的結合面壓力分布數值上乘以待預測螺栓預緊力與錨點螺栓預緊力之比，即可預測不同螺栓公稱直徑、鋼連接板厚度、鋁連接板厚度以及螺栓預緊力的鋁-鋼螺栓連接件結合面壓力分布。
14、所述步驟(7)鋁-鋼螺栓連接件壓力分布數學表征為折線函數，壓力總體上隨徑向距離增加表現為兩段衰減速率不一的折線，兩段折線的分段點為固定點，如式(1)所示：
15、
16、式(1)中，k1為第一段線的斜率，k2為第二段線的斜率，r為以螺孔邊緣起點的徑向距離，rmax結合面壓力分布最大半徑，r0為折線函數的分段點。
17、所述步驟(7)基于最小二乘法擬合結合面壓力分布的折線函數表征參數，具體如下：
18、提取有限元靜力學分析結果，根據有限元靜力學分析結果中的壓力分布特征確定r0以及rmax；有限元靜力學分析結果包括位于內側折線(徑向距離0～r0)上的數據點：(r1,p1)，(r2,p2)…(rm,pm)以及位于外側折線(徑向距離r0～rmax)上的數據點：(rm+1,pm+1)，(rm+2,pm+2)…(rn,pn)；
19、計算兩段折線各自的徑向距離平均值：
20、
21、式(2)中，為內側折線上數據點的徑向距離平均值，為外側折線上數據點的徑向距離平均值；
22、計算兩段折線各自的壓力平均值：
23、
24、式(3)中，為內側折線上數據點的壓力平均值，為外側折線上數據點的壓力平均值；
25、內側折線的擬合目標為：pa＝k1x+b1，外則折線的擬合目標為：pb＝k2x+b2；
26、計算兩段折線各自數據點的殘差平方和：
27、
28、式(4)中，va為內側折線上數據點的殘差平方和，vb為外側折線上數據點的殘差平方和；
29、k1、k2的擬合計算結果可通過對上述殘差平方和分別對k1、k2求偏導得：
30、
31、所述步驟(8)中在ansys?workbench?spaceclaim模塊中進行拉伸或壓縮，以快速修改螺栓連接件三維幾何模型幾何參數并導入至ansys?workbench有限元分析模塊中。
32、所述步驟(9)中k1、k2以及rmax的四次多項式擬合目標函數為：
33、
34、式(6)中，f1(m,x,y)、f2(m,x,y)、f3(m,x,y)分別為k1、k2、rmax的擬合目標函數，m、x、y分別為螺栓公稱直徑、鋼連接板厚度、鋁連接板厚度，分別為k1、k2、rmax擬合目標函數中的系本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種用于鋁-鋼螺栓連接件動力學分析的結合面壓力分布預測方法，其中特征在于，具體包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種用于鋁-鋼螺栓連接件動力學分析的結合面壓力分布預測方法，其特征在于，所述步驟1中鋁-鋼螺栓連接件的鋼連接板、鋁連接板以及螺母簡化為環形圓柱結構，螺栓頭部簡化為圓柱結構，忽略螺紋連接部分，螺栓孔隙在多組有限元靜力學分析中保持不變。
3.根據權利要求1所述的一種用于鋁-鋼螺栓連接件動力學分析的結合面壓力分布預測方法，其特征在于，所述步驟2中鋁-鋼螺栓連接件有限元模型網格應保證鋼連接板以及鋁連接板厚度方向至少4層網格；路徑添加于結合面上鋼連接板或鋁連接板一側，用以查看結合面接觸壓力沿徑向分布靜力學分析結果，路徑起點為螺孔邊緣，路徑終點為結合面外邊緣；螺栓預緊力可任意設置但需保持不變作為錨定預緊力，并施加于螺栓空桿表面。
4.根據權利要求1所述的一種用于鋁-鋼螺栓連接件動力學分析的結合面壓力分布預測方法，其特征在于，所述步驟3中鋁-鋼螺栓連接件壓力分布隨徑向距離增加表現為兩段衰減速率不一的折線，數學表征為折線函數，兩段折線的分段
5.根據權利要求1所述的一種用于鋁-鋼螺栓連接件動力學分析的結合面壓力分布預測方法，其特征在于，所述步驟3中基于最小二乘法擬合結合面壓力分布的折線函數表征參數，具體如下：
6.根據權利要求1所述的一種用于鋁-鋼螺栓連接件動力學分析的結合面壓力分布預測方法，其特征在于，所述步驟5中k1、k2以及rmax的四次多項式擬合目標函數為：
7.根據權利要求1所述的一種用于鋁-鋼螺栓連接件動力學分析的結合面壓力分布預測方法，其特征在于，所述步驟6中待預測螺栓預緊力的結合面壓力分布等于錨定預緊力下的結合面壓力分布在數值上乘以待預測預緊力與錨定預緊力的比值，如式(7)所示：
...【技術特征摘要】
1.一種用于鋁-鋼螺栓連接件動力學分析的結合面壓力分布預測方法，其中特征在于，具體包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種用于鋁-鋼螺栓連接件動力學分析的結合面壓力分布預測方法，其特征在于，所述步驟1中鋁-鋼螺栓連接件的鋼連接板、鋁連接板以及螺母簡化為環形圓柱結構，螺栓頭部簡化為圓柱結構，忽略螺紋連接部分，螺栓孔隙在多組有限元靜力學分析中保持不變。
3.根據權利要求1所述的一種用于鋁-鋼螺栓連接件動力學分析的結合面壓力分布預測方法，其特征在于，所述步驟2中鋁-鋼螺栓連接件有限元模型網格應保證鋼連接板以及鋁連接板厚度方向至少4層網格；路徑添加于結合面上鋼連接板或鋁連接板一側，用以查看結合面接觸壓力沿徑向分布靜力學分析結果，路徑起點為螺孔邊緣，路徑終點為結合面外邊緣；螺栓預緊力可任意設置但需保持不變作為錨定預緊力，并施加于螺栓空桿表面。
4.根據權利要求1所述的一種...
【專利技術屬性】
技術研發人員：盧劍偉，王子健，程禛溢，宋加樂，胡志偉，閆語馨，孫鏡淇，楊士欽，吳勃夫，
申請(專利權)人：孫鏡淇，
類型：發明
國別省市：
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