接触联接结构的故障预测和动力学特性分析

摘要

接触联接结构广泛用于各类机械结构中，例如螺栓联接结构、铆钉联接结构、销钉联接结构等。由于联接部位有接触的存在，并且这些联接结构通常处于恶劣的工作环境，经常会出现疲劳失效问题；近年来由于复杂结构的大型化和柔性化，使联接部动力学特性对整机性能的影响显得更加重要。本文通过有限元仿真对吊耳螺栓联接结构的失效故障预报和飞机蒙皮与长桁铆接结构的动力学特性进行了研究，探讨了在复合载荷作用下并考虑零件表面之间的接触现象时，结构件的疲劳裂纹产生以及扩展过程和速度，从而提高了结构的失效故障预报的可靠性，比较了传统不考虑接触现象时的结果，发现接触现象对裂纹扩展速度以及模态参数都有不可忽视的影响，并采用灰色模型对考虑接触时结构的剩余寿命进行了预测。
　　建立了吊耳螺栓联接结构有限元模型，通过应力分析预报出故障危险点，并分析了预紧力和剪力对危险点应力的影响，最后计算了考虑接触和不考虑接触的疲劳裂纹萌生寿命，发现接触对疲劳裂纹萌生寿命有一定影响。
　　建立了含裂纹的吊耳螺栓联接结构有限元模型，分析了接触、裂纹深度以及椭圆裂纹长短半轴之比对应力强度因子的影响，分析了接触对裂纹扩展速率的影响，并计算了考虑接触和不考虑接触的疲劳裂纹扩展寿命，发现接触对裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展寿命有一定影响。
　　提出了吊耳螺栓联接结构的剩余寿命预测流程，利用新陈代谢灰色预测模型预测了应力强度因子随裂纹深度变化值，进一步计算了裂纹扩展速率随裂纹深度变化值，最后计算了吊耳螺栓联接结构的疲劳剩余寿命。
　　建立了飞机蒙皮与长桁铆接联接有限元模型，对系统进行模态分析，然后在不同工况下对系统进行瞬态动力学分析，研究了接触和预紧力对系统固有频率等动态特性的影响，发现实际的接触情况对整个系统的动力学特性影响显著。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 选题依据及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 接触问题概述

1.4 结构疲劳寿命概述

1.5 故障预测技术概述

1.6 本文研究的内容

第二章 吊耳螺栓联接结构的裂纹萌生寿命预测

2.1 引言

2.2 有限元软件接触分析

2.3模型的建立

2.4 计算结果及分析

2.5 疲劳裂纹萌生寿命估算

2.6小结

第三章 吊耳螺栓联接结构的裂纹扩展寿命预测

3.1 引言

3.2 有限元法计算应力强度因子的过程及基本思想

3.3 含裂纹有限元模型的建立

3.4 计算结果及分析

3.5 疲劳裂纹扩展寿命估算

3.6 小结

第四章 基于灰色模型的吊耳螺栓联接结构剩余寿命预测

4.1 引言

4.2故障预测方法概况

4.3 灰色模型理论[35]

4.4 吊耳螺栓联接结构剩余寿命预测流程

4.5计算结果及分析

4.6 结论

第五章 典型接触结构的动力学特性分析

5.1 引言

5.2 有限元软件模态分析

5.3 有限元软件瞬态动力学分析

5.4 铆接接触结构的有限元模型建立

5.5 动力学特性分析

5.6 小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果