基于薄层单元法的螺栓连接结构有限元模型确认

由于螺栓连接结构结合面的粗糙度、预紧力矩和螺栓直径等因素具有不确定性,因此结合面的连接参数也是具有不确定性的,为了获得能描述连接参数不确定性的有限元模型,对螺栓连接结构开展有限元模型确认研究。将复杂的多螺栓结构拆分为简单的单个螺栓结构;先对单个螺栓结构做模型确认分析,采用薄层单元来表征结合面,通过模态试验数据修正获得薄层单元参数及其统计样本,对不确定性连接参数进行量化和传递分析,并采用模型确认准则验证该参数概率分布的合理性;再将考虑概率分布情况的单个螺栓结构的薄层单元参数应用到多个螺栓连接结构对其模态频率进行预测。研究结果表明:所采用的模型确认方法能量化薄层单元参数的不确定性,可建立具有一定可信度的螺栓连接结构有限元模型,由单个螺栓结构能预测多个螺栓结构的动力学特征。     

复合材料螺栓连接失效分析研究进展

复合材料螺栓连接具有可靠性高和易检测等优点,是复合材料结构最重要的连接形式。但是由于复合材料的各向异性、脆性以及孔边应力集中的存在,螺栓连接是复合材料结构承载的薄弱环节,已引起研究者广泛关注。本文对复合材料螺栓连接结构的钉载分配测试和分析方法,螺栓连接结构的失效预测方法及设计参数对接头失效的影响研究等进行了简要综述,着重介绍了课题组近年来在这些方面的研究工作。     

复合材料螺栓连接结构疲劳问题研究进展

螺栓连接具有承载能力强、可靠性高等优点，成为复合材料结构常用的连接形式之一。对碳纤维复合材料螺栓连接结构的疲劳问题研究进展进行综述。阐述了复合材料机械连接结构的几种基本类型，总结了螺栓连接在疲劳载荷下的失效过程和破坏形式，从复合材料性能、紧固件性能、侧向约束、几何效应、疲劳载荷和环境因素等方面重点论述了碳纤维复合材料螺栓连接结构的疲劳性能影响因素的研究进展，最后对未来复合材料螺栓连接结构的疲劳性能研究方向进行了总结和展望，以期对未来连接结构的研究和应用提供建议与参考。     

2D-C/SiC复合材料螺栓连接结构可靠性分析

耐高温C/SiC陶瓷基复合材料因加工制造的复杂工艺,其性能参数存在明显的分散性。为了提高复合材料螺栓连接结构的可靠性建模精度,采用渐进损伤分析方法进行强度分析,采用不含交叉项二次响应面函数进行可靠性分析。采用改进的Hashin失效准则与Ye分层失效准则进行渐进损伤分析,分别对结构纤维与基体采用不同的刚度损伤模型,通过有限元仿真获得螺栓连接结构的拉伸极限承载能力,与试验值之间相对误差较小。将2D-C/SiC复合材料的刚度性能参数与强度参数作为随机变量,采用响应面法拟合结构功能函数,通过分析得到结构在拉伸载荷下的失效概率函数,并分析了各材料力学性能参数的灵敏度,发现面内剪切强度对结构可靠性影响较大。     

典型冲击载荷下螺栓法兰连接结构失效模拟

基于某含剪力锥销螺栓法兰连接结构,通过模型简化,建立三维有限元模型。模拟了螺栓预紧力加载过程,倾覆力矩和纯剪切两种瞬态载荷下连接结构的失效过程。得到连接结构的失效规律以及在不同载荷下螺栓的失效模式。分析了影响结构失效的因素,并定性给出了提高结构强度的建议。为螺栓法兰连接结构动力学应用设计提供参考。     

考虑滑移的螺栓连接动力学建模方法

螺栓连接结构受载时经常会出现滑移，这种滑移会影响结构的动力学性能，继而对结构的性能和寿命造成影响。本文以双螺栓连接结构为对象，通过实验和数值仿真手段研究滑移对结构模态特性的影响。实验结果表明，预紧力的增大会导致共振频率上升，而随着激励幅值增大，共振频率下降且每个周期能量耗散量对模态力的梯度增大。基于实验结果，结合考虑滑移的Iwan模型理论，建立非线性动力学模型，应用四阶龙格库塔法进行求解。根据计算结果对宏观滑移情况下的结构模态进行分析，发现此时二阶弹性模态中的共振频率下降量增大，能量耗散量对模态力的梯度降低。该数值计算模型可以很好地表征螺栓连接结构的模态特性，且计算效率高。     

火箭径向连接孔精度对承载能力影响分析

对火箭部段间径向连接进行受力分析,径向连接螺栓受剪切力及附加弯矩共同影响。对存在接触、摩擦和预紧等非线性因素的径向螺栓连接结构建立有限元分析方法,得到径向连接螺栓所受剪切力及附加弯矩。基于典型结构开展连接孔精度对承载能力的影响,获得不同对接孔精度下的承载能力,为火箭径向连接孔精度的选择提供工程设计依据。     

基于Global/Local法的螺栓连接结构静强度渐进破坏

为了研究螺栓连接结构静强度渐进破坏特点,应用Global/Local有限元分析技术,分两级建立了螺拴连接结构有限元模型,并对其进行了带EWK断裂子程序的材料/几何非线性有限元分析.结果表明:螺栓连接结构的断裂部位位于螺拴孔边缘,当加载到最大载荷的42%时开始出现破坏单元,在加载到最大载荷的48%之前裂纹扩展是一个稳态的过程,之后便迅速扩展直至整体结构失效.Global/Local分析技术提高了整个过程的分析效率.     

螺纹连接结构横向松动寿命预测及影响因素研究

螺纹紧固件的连接结构广泛应用于工程结构中,发展一种高效的紧固性能预测模型对保障连接结构服役可靠性有重要意义。本文基于Junker试验结果标定之后的精细化数值模型研究了不同因素对螺纹连接结构横向松动寿命的影响;提出了基于预紧力、横向力、螺纹面摩擦系数的旋转松动刚度拟合关系式,并由此初步提出线性的松动寿命预测函数。结果表明:本文所建立的精细化数值模型预测的衰退规律与试验结果相互吻合。横向力与预紧力对旋转松动刚度的影响是单调递减的;螺纹面摩擦系数对旋转松动刚度的影响是单调递增的。采用线性的松动寿命预测函数评估螺纹连接结构服役寿命具有较高精度,可为连接结构领域设计人员定量评估结构服役寿命提供参考依据。     

低温液体火箭发动机高压静密封有限元分析

以某型号液体火箭发动机的推力室燃料阀出口法兰静密封结构为研究对象,针对法兰连接结构特点,运用有限元方法建立了管路-阀门-推力室模型,通过热-结构耦合计算分析表明:在温度和压力的共同作用下,推力室燃料阀出口法兰变形导致密封面微小分离,造成垫片局部压紧应力大幅减小,可能引起推进剂泄漏并起火。在通过上述分析定位泄漏原因并预测泄漏率之后,又建立了参数化的螺栓-法兰-垫片密封性分析局部模型,基于柔性石墨垫片的基本性能试验数据,计算分析了垫片厚度、螺栓预紧力等结构因素对静密封性能的影响,理论上验证了增加预紧力,增厚密封垫片等密封改进措施的有效性。     

磨粒特征参数的筛选及权分析

基于概率分布特性及集合论 ,提出区分度概念并建立一种用于对金属磨粒的特征参数进行分析筛选的方法。该方法根据特征参数的数据结构特征 ,筛选出具有较强分类特性的特征参数 ,而将分类特性差的或是派生的特征参数能准确地分离出来。本文同时采用集合域分析方法 ,对特征参数进行了权分析 ,从而大大提高了特征参数的分类特性。文中对金属磨粒分类中常用的几种几何特征参数 (圆度、长 /短轴比、线性度、凹度及综合参数 )进行了计算分析 ,结果显示圆度的区分度最大 ,其他依次为长 /短轴比、综合参数、凹度和线性度。而这一结果与作者根据实际经验来对磨粒进行分类所采用的分类决策的秩序是相一致的 ,从而说明该方法的有效性及实用性     

纵向无垫圈螺栓连接系统的密封性分析和轻量化设计

纵向无垫圈螺栓连接系统在工程中有着广泛的应用。然而,由于受到较多的设计变量和安装边间复杂接触状态的影响,其密封性分析和轻量化设计依然是一个难题。本文系统地分析了设计变量与密封失效的关系,有效地降低了设计变量的数目。通过适当修改Ma等人~([11])的螺栓连接等效力学模型,能够准确预测螺栓孔处密封失效时的临界状态。最后,本文提出了纵向无垫圈螺栓连接系统轻量化设计的优化列式,并进行了数值实现和三维有限元验证。     

机械螺栓连接状态监测和辨识方法研究进展

螺栓连接广泛存在于机械装配结构中.振动环境下螺栓连接的状态会发生滑动、分离甚至松脱等现象,从而严重影响结构的功能性和安全性.监测和辨识机械螺栓连接的状态是结构健康监测研究的前沿热点.首先,对螺栓连接非线性动力学问题的研究现状进行了分析,指出针对复杂螺栓连接结构的非线性动力学问题的深入研究是建立可靠的状态检测和辨识方法的基础.然后,讨论了基于振动分析的两类结构健康监测方法在机械螺栓连接中的研究进展,重点综述了基于机电阻抗的状态监测方法的原理、应用现状和不足.最后,讨论了基于非线性系统动力学理论的状态监测方法及其在螺栓连接中的研究应用情况,指出了该技术进一步发展应用的若干关键技术.     

安装条件对后支承机匣系统动态特性的影响

本文采用机械阻抗测试方法,试验分析了某发动机的后支承安装条件,即螺栓拧紧力矩及配合间隙对支承机匣系统共振频率及位移导纳值的影响。试验结果表明,安装条件的影响局限在一定范围内。故在规范范围内,改变安装条件,可在一定程度上调整发动机的振动。     

基于主导能量法和Pade逼近法的多变量系统的模型简化

本文在运用主导能量分布法初步确定多变量系统简化模型的阶的基础上,综合利用主导能量法和Pade逼近法对多变量系统进行联合降阶,从而获得具有较好的暂态和稳态拟合精度的降阶模型。文中的算例表明,本文提出的模型简化方法可得到较为满意的结果。 本文的方法适用于存在主导极点的复杂系统和大系统。     

冲击载荷作用下泡沫铝材料模型的参数研究

通过霍布金森杆冲击试验,研究将修改后的Liu与Subhash关于聚合物泡沫的本构模型应用于泡沫铝材料的可行性,对不同相对密度下的材料模型参数进行拟合,并研究参数变化对应力应变关系的影响.结果显示:该本构模型可以应用于泡沫铝材料模型的研究;材料相对密度和模型参数变化对应力应变关系影响比较大;拟合曲线和试验曲线基本吻合,拟合得到的参数值对工程具有一定的参考价值.     

基于APDL的圆截面舱段楔块连接结构全接触分析技术研究

楔块连接以其连接可靠、装卸方便、空间利用率高等优点,广泛应用于圆截面舱段对接结构。楔块强度校核一般参照键联连接工程校核方法,但是需要先获取楔块传递载荷。采用有限元方法可以模拟楔块与舱体之间的复杂传力关系,更为全面地获得整体结构应力分布,但是由于接触面多,计算收敛性差。基于ANSYS参数化设计语言(APDL)开发了典型圆截面舱段楔块连接结构全接触分析命令流,对结构尺寸、公差配合间隙、预紧力等进行了详细设计。根据理论分析结果和工程应用经验,楔块连接结构全接触分析模型将正楔、反楔和直楔作为整体进行建模,而通过热载荷模拟楔块初始预紧力;在楔块、内舱体和外舱体之间建立两两接触关系,真实地反映了结构传力状态。在各独立楔块之间建立弹性连接结构,对弹性连接结构施加附加位移约束,有效解决了计算发散问题;同时通过调节弹性连接结构刚度,将附加约束对本体结构的影响减小到工程可接受程度。     

基于BP神经网络的冰形特征参数预测

机翼结冰影响了飞机飞行的气动特性，严重时将会引起事故，对冰形特征参数进行预测对翼型气动特性研究以及后续防除冰措施具有重要的意义。本文利用BP神经网络，建立翼型冰形特征参数预测模型，并采用k折交叉验证进行网络结构选择，以气象与飞行条件作为输入，结冰极限、冰角高度和角度等冰形特征参数作为输出。结果表明:预测的冰形特征参数（除下冰角高度外）与数值结果相对误差低于5%，证明该方法具有较好的预测效果。     

航空发动机机匣的强度振动分析与评估

针对某高涵道比涡扇发动机高压压气机机匣的设计需求,采用有限元方法,从静力学角度出发,根据温度载荷和气动载荷求解机匣的温度场和压力场分布,分析机匣的应力和变形分布,以及椭圆度;从动力学角度出发,根据机匣的固有频率,结合各级转子叶片数目及工作转速,分析机匣的共振频率,从以上两方面对机匣强度振动特性进行计算分析与评估。研究结果表明:在温度场载荷和气动载荷作用下,机匣具有足够的强度储备系数;机匣共振的安全裕度满足动力学设计要求。     

薄壳机匣开孔补强的应力集中分析

发动机机匣上安装凸台结构，可简化为机匣壳体开孔后用围壁和加强板组合补强的力学模型。文中从弹性力学的基本公式出发，采用上述简化模型，得到了壳体孔边应力分析的计算公式，并编制了计算程序，进行了实例计算，获得了发动机机匣各种安装凸台的应力集中系数。本文的研究成果对合理地确定机匣安装凸台的几何形状和尺寸具有参考价值。