螺栓连接复合材料板的振动特性建模及其模型修正

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复合材料具有比强度和比刚度高,力学性能可设计等优点已在航空、航天等各种关键构件上广泛应用。螺栓连接具有便于拆装和维护的优点,成为了复合材料构件主要的连接形式。然而,当螺纹紧固件承受诸如冲击、振动和热负荷的动态外部载荷时,螺栓连接容易产生振动诱发的松动失效。因此,有必要对螺栓连接复合材料结构的振动特性进行相关的建模分析。螺栓连接结构的结合部承担了整个结构连接的性能和工作状态,需要对其进行有效的设计以便在动态情况下进行振动控制和评估它们的性能。而设计工作的关键就是要正确描述螺栓连接区域的复杂物理特性并将其引入该螺栓连接复合材料结构动力学分析系统中。本文以螺栓连接复合材料板为研究对象,研究了螺栓结合部的振动特性建模方法及其模型修正。具体研究内容包括4个部分:(1)以螺栓连接复合材料板结构为研究对象,搭建了以振动台、BK加速度传感器以及LMS信号采集系统为基础的实验系统。首先,通过力锤敲击板上的测试点,获得固有频率和模态阵型;然后,在振动台上进行扫频和定频实验获得结构的共振响应。通过改变螺栓预紧力和垫圈大小,获得不同外部条件对螺栓连接复合板固有频率、模态阻尼比以及振动响应的影响规律。(2)基于接触单元法模拟螺栓结合部的接触特性,通过设置合理的接触算法和实常数获得结合面接触状态变化的动态特性。针对第一部分的试件,建立了三维有限元模型,并详细介绍了建模步骤以及接触单元的设置。对模型进行有预应力的静力学和动力学分析,通过对比实验分析结果和模型计算结果,证明了模型的合理性和准确性。(3)为了研究高效的螺栓结合部建模方法,减少模型计算运行时间和成本。本文提出了基于连接层的螺栓结合部振动特性简化建模,介绍了建模过程中的一些假设和特征,以及需要辨识的连接层参数。然后,采用模型修正技术确定连接层弹性参数,并介绍了修正过程中使用的优化算法。最后,以第一部分的试件为例,对其进行了基于连接层模型的动力学建模与分析。结果显示,该连接层模型可以再现复合板结构的振动特性。经过模型修正后的模型能够更好地模拟结合部的动态特性,并与第二部分的模型对比分析来验证模型的高效性。(4)采用虚拟材料模拟螺栓结合部的动态特性,进一步采用能量法创建了螺栓联结复合材料板的解析分析模型,之后通过拉格朗日方程求解了结构的固有特性。之后提出使用单目标遗传算法和基于分解的多目标进化算法来辨识该虚拟材料模型的参数从而完成模型修正过程。实践表明这种不考虑螺栓结合部细节创建组合结构分析模型的方法可显著提高螺栓联结结构的分析效率。与此同时,通过实验对比验证了建模的合理性,并且基于分解的多目标进化算法对模型修正的精度更高。本文关于螺栓连接复合材料结合部建模方法以及模型修正的研究内容可为后续关于螺栓连接结合部的动力学分析与设计问题提供理论基础,也可为螺栓连接复合材料在动态情况下进行振动控制设计提供参考。
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