基于ANSYS的螺栓固定结合面建模方法研究

摘要

螺栓固定结合面是一种非常普遍的机械结构连接形式，对机械系统整体的静动态特性有很大的影响，因此有必要对螺栓结合面进行分析和研究，研究对其进行有限元分析的切实可行的方法，研究其对机床性能的影响等。但由于螺栓固定结合面具有一定的预载，并且呈现出一定的非线性，因此对这一结构的研究具有一定的难度。本文在总结了当前国内外结合面研究成果的前提下，从宏观的角度出发，提出了使用虚拟介质法建立结合面有限元模型的方法，并建立了相应的螺栓结合面数学模型，实现了具有结合面结构系统的静动态分析建模的统一性、简单性和实用性。
　　 具体研究内容如下：
　　 (1)论文首先在查阅大量文献的基础上，总结了国内外结合面动静态特性研究现状，介绍了目前结合面动态特性研究的主要方法及关键技术。针对目前结合面实际建模分析应用中存在的主要问题，提出了使用虚拟介质法建立结合面参数化模型的方法；
　　 (2)在结合面数学模型的推导部分，以矩形结合面元为例，推导出了具有结合面结构的装配体动力学模型；
　　 (3)使用ANSYS有限元分析软件的APDL语言，建立全参数化的、带有预载功能的螺栓固定结合面装配模型；
　　 (4)以装配体结构的固有频率为分析目标，通过几种不同的结合面有限元建模、分析过程，对比各种方法的优劣，分析重点在采用虚拟介质法建立结合面的有限元模型上。在对虚拟介质法建模参数进行了定性分析后，通过采用理论研究、动态试验和有限元分析相结合的结合面研究方法，对结合面参数进行了定量优化分析，建立了采用虚拟介质法建模的结合面参数方程；
　　 (5)最后通过对具有结合面的装配样件的模态试验分析，获得了一定数量的模态试验结果，对比试验结果和虚拟介质法有限元分析结果，验证所采用方法的有效性和可行性。
　　 本文通过试验、分析计算相结合的方法，达到分析建模的合理性和有效性，为建立具有结合面特性的装配体有限元模型提供了简单有效的分析途径。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 结合面研究现状

1.2.1 国内外研究状况

1.2.2 螺栓固定结合面研究现状

1.3 课题的提出和意义

1.4 课题研究内容

第2章 结合面数学模型

2.1 结构动力学模型

2.1.1 结构的阻尼

2.1.2 结构动力学模型

2.2 结合面等效参数数学模型研究

2.3 虚拟介质法数学模型

2.3.1 矩形结合面元的位移形函数与速度形函数

2.3.2 单元刚度矩阵与单元阻尼矩阵

2.3.3 结合面位移应力传递矩阵和速度应力传递矩阵

2.3.4 建立含有结合面的结构动力学模型

2.4 本章小结

第3章 螺栓固定结合面有限元分析

3.1 螺栓扭矩与轴力的转换

3.2 螺栓固定结合面建模

3.2.1 螺栓有限元建模

3.2.2 结合面有限元建模

3.2.3 建立完整的分析模型

3.3 螺栓固定结合面传统分析方法

3.3.1 采用粘接结合面建模分析

3.3.2 采用约束方程建立结合面模型

3.3.3 采用弹簧阻尼单元建立结合面模型

3.4 虚拟介质法有限元分析

3.4.1 建立分析模型

3.4.2 结合面参数定性分析

3.4.3 参数灵敏度分析

3.4.4 结合面参数识别

3.4.5 虚拟介质法动态分析

3.4.6 虚拟介质法分析验证

3.5 本章小结

第4章 螺栓固定结合面试验模态分析

4.1 模态分析概述

4.2 传递函数的求取

4.3 激励方法的选择

4.4 动态试验

4.5 试验结果分析

4.5.1 试验结果分析

4.5.2 验证分析结果

4.6 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 结论

5.2 有待进一步研究的工作

参考文献

致谢