吉林大学学报(工学版) ›› 2016, Vol. 46 ›› Issue (4): 1149-1155.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb201604021

• 论文 • 上一篇    下一篇

基于虚拟梯度材料的螺栓结合面建模方法

廖静平1, 2, 张建富1, 2, 郁鼎文1, 2, 冯平法1, 2   

  1. 1.清华大学 机械工程系, 北京100084;
    2. 清华大学 精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室,北京100084
  • 收稿日期:2015-03-06 出版日期:2016-07-20 发布日期:2016-07-20
  • 通讯作者: 张建富(1975-),男,副教授,博士.研究方向:高效精密加工工艺与装备.E-mail:zhjf@tsinghua.edu.cn
  • 作者简介:廖静平(1989-),男,博士研究生.研究方向:TBM刀盘结构设计分析.E-mail:woshiliao1989@163.com
  • 基金资助:
    “973”国家重点基础研究发展计划项目(2013CB035402)

Modeling method of bolted joint interface based on gradient virtual materials

LIAO Jing-ping1, 2, ZHANG Jian-fu1, 2, YU Ding-wen1, 2, FENG Ping-fa1, 2   

  1. 1.Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China;
    2.Beijing Key Laboratory of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipments and Control, Tsinghua University,Beijing 100084,China
  • Received:2015-03-06 Online:2016-07-20 Published:2016-07-20

摘要: 为准确分析螺栓连接件的动态性能,提出了一种基于虚拟梯度材料的螺栓结合面建模方法。将螺栓连接结合部等效为一种局部的虚拟梯度材料,虚拟梯度材料与被连接件皆为固定连接。通过有限元方法获得了螺栓连接结合面的接触压强分布情况,在此基础上,应用胡克定律,推导了虚拟梯度材料的弹性常量与径向位置之间的关系。采用分层法建立了基于虚拟梯度材料的螺栓结合面有限元分析模型,分别获取了固结、传统虚拟材料与虚拟梯度材料结合面表征下试件的理论模态,并开展模态实验,从振型和固有频率两方面进行了对比分析,验证了本文虚拟梯度材料建模方法的有效性。结果表明:虚拟梯度材料模型的模态与实验模态的前6阶振型一致,前6阶固有频率的相对误差数值都在10%以内,建模精度高。

关键词: 机械学, 螺栓结合面, 面压分布, 虚拟梯度材料, 模态分析

Abstract: To improve the modeling precision of bolted joints, a new modeling method based on gradient virtual materials was proposed. First, the contact pressure distribution on bolted joint interface was obtained through interpolating and revising the contact interface force. Then, the analytical expressions of the elastic modulus and shear modulus were derived for gradient virtual material according to Hooke Law. By using a layering method, the analytical formulas of the gradient virtual material was inserted into finite element software to construct the interface model. Qualitative comparison of similar mode and quantitative comparison of corresponding natural frequency were carried out between the simulation and experimental results. It is shown that the first six order vibration shapes of the gradient virtual material models are consistent with experimental results. The modeling precision of the gradient virtual material model is much better than that of traditional virtual material model.

Key words: mechanics, bolted joint, contact pressure distribution, gradient virtual material, modal analysis

中图分类号: 

  • TH113.1
[1] Marshall M B, Zainal I, Lewis R. Influence of the interfacial pressure distribution on loosening of bolted joints[J]. Strain, 2011,47(2): 65-78.
[2] Wang Lei, Liu Hai-tao, Zhang Jun, et al. Analysis and modeling for flexible joint interfaces under micro and macro scale[J]. Precision Engineering, 2013,37(4): 817-824.
[3] 蔡力钢,郝宇,郭铁能,等. 螺栓结合面法向静态刚度特性提取方法研究[J]. 振动与冲击,2014,33(16):18-23.
Cai Li-gang, Hao Yu, Guo Tie-neng, et al. Method of extracting normal static stiffness of bolted joint interfaces[J]. Journal of Vibration and Shock, 2014,33(16):18-23.
[4] 蔡力钢,王锋,李玲,等. 栓接结合部动态特性研究进展[J]. 机械工程学报,2013,49(9):158-168.
Cai Li-gang, Wang Feng, Li Ling, et al. Review on dynamic properties of bolted joints[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2013,49(9):158-168.
[5] Pau M, Baldi A, Leban B. Visualization of contact areas in bolted joints using ultrasonic waves[J]. Experimental Techniques, 2008,32(4): 49-53.
[6] Mantelli M, Milanez F H, Pereira E, et al. Statistical model for pressure distribution of bolted joints[J]. Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 2010,24(2): 432-437.
[7] Stephen J T, Marshall M B, Lewis R. An investigation into contact pressure distribution in bolted joints[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science,2014,228(18): 3405-3418.
[8] Kim J, Yoon J C, Kang B S. Finite element analysis and modeling of structure with bolted joints[J]. Applied Mathematical Modeling, 2007,31(5): 895-911.
[9] 田红亮,刘芙蓉,方子帆,等. 引入各向同性虚拟材料的固定结合部模型[J]. 振动工程学报,2013,26(4):561-573.
Tian Hong-liang, Liu Fu-rong, Fang Zi-fan, et al. Immovable joint surface's model using isotropic virtual material[J]. Journal of Vibration Engineering, 2013,26(4):561-573.
[10] Tian Hong-liang, Li Bin, Liu Hong-qi, et al. A new method of virtual material hypothesis-based dynamic modeling on fixed joint interface in machine tools[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2011,51(3): 239-249.
[11] 石坤,宋俐,师俊平. 机械结合部等效材料参数建立与试验[J]. 农业机械学报,2014,45(2):297-301.
Shi Kun, Song Li, Shi Jun-ping. Establishment and experiment of mechanical joint equivalent material properties[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(2): 297-301.
[12] 王磊,杜瑞,金涛,等. 螺钉连接固定结合面匹配设计研究[J]. 西安交通大学学报,2013,47(7):62-67.
Wang Lei, Du Rui, Jin Tao, et al. Matching design for bolted joints based by effective contact radius maximization[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2013, 47(7): 62-67.
[13] Marshall M B, Lewis R, Dwyer-Joyce R S. Characterisation of contact pressure distribution in bolted joints[J]. Strain, 2006,42(1): 31-43.
[14] 王书亭,李杰,刘涛,等. 机械固定结合面刚度特性建模[J]. 华中科技大学学报:自然科学版,2011,39(8):1-5.
Wang Shu-ting, Li Jie, Liu Tao, et al. Interfacial stiffness characteristic modeling of mechanical fixed joints[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2011,39(8):1-5.
[15] 张学良. 机械结合面动态特性及应用[M]. 北京:中国科学技术出版社,2002.
[1] 侯萍萍, 王黎钦, 柏迎村, 彭秋阳, 郝婷. 填脂量对高速电主轴轴承性能的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(2): 518-523.
[2] 周晓东, 张雅超, 谭庆昌, 张维君. 基于结构光视觉技术的圆柱度测量新方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(2): 524-529.
[3] 孙伟, 李健, 贾师. 硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼辨识[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(4): 1156-1162.
[4] 吴越, 杨志刚, 陈龙, 康晓涛, 张东伟. 压电悬臂梁多模态发电装置的仿真与试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(4): 1162-1167.
[5] 柯俊, 陈志勇, 史文库, 施腾, 张一京, 郭福祥. 基于振动控制的客车地板模态分析及结构优化[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(3): 719-725.
[6] 侯守武, 焦映厚, 陈照波, 李明章. 基于机械导纳理论的方钢结构减振特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(05): 1295-1301.
[7] 李成, 朱红红, 铁瑛, 何龙. 单搭胶/螺栓混合连接结构的应力分布与载荷分配[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(04): 933-938.
[8] 郭年程, 史文库, 刘文军, 王国林, 张飞. 动力吸振器在后桥振动控制中的应用[J]. , 2012, (06): 1349-1354.
[9] 孔繁森,吴雅夫,李聪. 基于信息熵的设备电气故障诊断复杂性评价[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(03): 697-701.
[10] 杨志军,罗伯特·凯利,陈新,何捷. 基于机构动力学-控制系统协同仿真与优化的凸轮廓线优化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(01): 149-0154.
[11] 韩志武, 吕尤, 董立春, 张俊秋, 牛士超, 马荣峰, 任露泉. 仿生表面形态齿轮的模态分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2010, 40(06): 1604-1608.
[12] 李常有,徐敏强,郭耸,王跃武. 基于模型的转子弯曲程度识别方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2010, 40(04): 1019-1024.
[13] 高荣,叶佩青,蒋克荣,李文. 基于小波奇异性的电主轴振动信号处理[J]. 吉林大学学报(工学版), 2010, 40(04): 1025-1028.
[14] 代汉达,曲建俊,庄乾兴. 水环境下二硫化钼/聚四氟乙烯复合材料与石英玻璃的超润滑摩擦学特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2010, 40(04): 1015-1018.
[15] 张起勋, 于海业. 太阳自动跟踪机构安全性模拟分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2010, 40(02): 480-0484.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 刘松山, 王庆年, 王伟华, 林鑫. 惯性质量对馈能悬架阻尼特性和幅频特性的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 557 -563 .
[2] 王同建, 陈晋市, 赵锋, 赵庆波, 刘昕晖, 袁华山. 全液压转向系统机液联合仿真及试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 607 -612 .
[3] 张春勤, 姜桂艳, 吴正言. 机动车出行者出发时间选择的影响因素[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 626 -632 .
[4] 肖锐, 邓宗才, 兰明章, 申臣良. 不掺硅粉的活性粉末混凝土配合比试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 671 -676 .
[5] 陈思国, 姜旭, 王健, 刘衍珩, 邓伟文, 邓钧忆. 车载自组网与通用移动通信系统混杂网络技术[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 706 -710 .
[6] 孟超, 孙知信, 刘三民. 基于云计算的病毒多执行路径[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 718 -726 .
[7] 仙树, 郑锦, 路兴, 张世鹏. 基于内容转发模型的P2P流量识别算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 727 -733 .
[8] 吕源治, 王世刚, 俞珏琼, 王小雨, 李雪松. 基于柱透镜光栅的虚模式下一维集成成像显示特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 753 -757 .
[9] 王丹, 李阳, 年桂君, 王珂. 非均质度量掩蔽函数在空域水印中的应用[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 771 -775 .
[10] 冯琳函, 钱志鸿, 尚克诚, 朱爽. 基于IEEE802.15.4标准的改进型隐藏节点冲突避免策略[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 776 -780 .