[发明专利]一种法向和切向载荷耦合作用下栓接结构固有频率的计算方法

说明书

本发明提供一种法向和切向载荷耦合作用下栓接结构固有频率的计算方法，包括步骤S1、根据栓接结构所受的法向载荷计算所有微凸体中的最大接触面积，获取接触变形下，单个微凸体的法向接触刚度、切向接触刚度与静摩擦力；步骤S2、计算栓接结构的法向接触刚度、切向接触刚度、静摩擦力与栓接结构的实际接触面积；步骤S3、将栓接结构的接触界面等效为虚拟薄层，计算法向载荷和切向载荷共同作用下虚拟薄层的属性参数；步骤S4、基于虚拟薄层属性参数建立接触面等效有限元模型，进行模态分析，得到不同法向载荷和切向载荷耦合作用下具有粗糙接触界面的栓接结构各阶固有频率，能够精确计算法向和切向载荷耦合作用下栓接结构的固有频率。

技术领域

本发明涉及固有频率计算技术领域，具体涉及一种法向和切向载荷耦合作用下栓接结构 固有频率的计算方法。

背景技术

螺栓连接是机械装备中应用广泛的零部件连接方式，工程表面在微观尺度上具有粗糙分 形特征，在法向和切向载荷共同作用下，具有粗糙接触界面的栓接结构固有频率呈现非线性 特征。考虑接触界面的粗糙形貌特征，精确计算栓接结构在不同外载荷下的各阶固有频率， 有利于预测机械结构系统动力学行为，减少共振引发的工程事故。

在粗糙接触界面动力学行为的研究中，相关技术多是单一考虑法向载荷的作用，而忽略 了切向载荷与法向载荷的耦合作用，因此得到的结果与实际相比存在较大的误差；同时，在 外载荷的作用下，粗糙接触界面间存在摩擦力，将摩擦力考虑到计算中可以提高计算精度， 减小误差。

目前获得不同外载荷作用下栓接结构固有频率的方法主要有两种：第一种是解析与数值 结合的理论计算方法，采用弹簧-阻尼器等效栓接结构的固定结合部，该方法虽然简单实用， 但忽略了各粘弹性单元之间及粘弹性单元的坐标之间的耦合关系，无法计算受法向和切向载 荷共同作用下的固有频率，并且这种模型化的方法不易于与现有的有限元软件集成。第二种 则是依赖于实验测试结果的计算方法，通过实验与有限元结合，获得虚拟薄层的相关参数， 再代入到有限元模型获得栓接结构的各阶固有频率，该方法的弊端在于计算精度取决于前期 栓接结构实验结果，同时还忽略了栓接结构接触界面间粗糙度的影响，使获得的栓接结构各 阶固有频率与实际相比存在较大的误差。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种法向和切向载荷耦合作用下栓接结构固 有频率的计算方法，能够计算受法向载荷和切向载荷共同作用下的固有频率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种法向和切向载荷耦合作用下栓接结构固有频率的计算方法，包括：

步骤S1、提供栓接结构，获取栓接结构的法向载荷和切向载荷，根据栓接结构所受的法 向载荷计算所有微凸体中，单个微凸体的最大接触面积，获取接触变形下，单个微凸体的法 向接触刚度、单个微凸体的切向接触刚度与单个微凸体的静摩擦力间的相关关系；

步骤S2、计算栓接结构的法向接触刚度、栓接结构的切向接触刚度、栓接结构的静摩擦 力与栓接结构的实际接触面积；

步骤S3、将栓接结构的接触界面等效为虚拟薄层，计算法向载荷和切向载荷共同作用下 虚拟薄层的属性参数，包括弹性模量、泊松比、密度与厚度；

步骤S4、基于虚拟薄层属性参数建立接触面等效有限元模型，进行模态分析，得到不同 法向载荷和切向载荷耦合作用下具有粗糙接触界面的栓接结构各阶固有频率。

进一步地，所述步骤S1中，用分形维数D和分形粗糙度G表征表面粗糙度，将栓接结构两个粗糙面的接触简化为一个等效粗糙表面和一个刚性平面的接触，用W-M分形函数模拟 粗糙表面，基于接触力学理论获取等效粗糙表面上，获取单个微凸体的法向接触刚度、单个 微凸体的切向接触刚度与单个微凸体的静摩擦力间的相关关系。