一種復(fù)雜點式連接結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)建模技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)雜點式連接結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]機械產(chǎn)品為了滿足各種功能需求，一般都不是整體成型，而是由非常多的部件通過連接面組成。如多級火箭有很多艙段連接而成。由于整機中包括了大量的連接面，所以除了結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性外，連接面對整機的動態(tài)特性影響很大，有調(diào)查表明機械結(jié)構(gòu)中60%?80%的總動剛度、90 %的總阻尼都來自連接面，連接面的動態(tài)特性研究是機械動力學(xué)從零部件分析走向整體分析所面臨的重要技術(shù)問題之一。
[0003]在機械結(jié)構(gòu)中，點式連接是常見的一種連接方式，如螺栓和螺釘連接。在結(jié)構(gòu)整體建模中，點式連接面十分常見。在結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析中，點式連接結(jié)構(gòu)的有限元分析屬于難點問題。由于結(jié)構(gòu)中存在大量的連接面，給建立整體有限元模型帶來相當(dāng)大的困難。長期以來人們從理論和實驗上對此進(jìn)行了大量的研究。點式連接面的動力學(xué)建模是研究連接面動力學(xué)特性的重要手段。以火箭為例，其動力學(xué)特性很大程度上取決于艙段連接面的動特性，進(jìn)而決定控制系統(tǒng)是否能穩(wěn)定控制。因此，點式連接面的動力學(xué)建模方法的研究，對于研究整體結(jié)構(gòu)的動特性具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)雜點式連接結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模方法，以解決結(jié)構(gòu)整體動力學(xué)特性分析過程中連接面建模的問題。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為:
[0006]一種復(fù)雜點式連接結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模方法，包括如下步驟:
[0007]步驟1:根據(jù)整體結(jié)構(gòu)形式，確定結(jié)構(gòu)的零部件以及連接面；
[0008]步驟2:將結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入有限元前處理軟件中，完成對不同零部件的分組處理和簡化；
[0009]步驟3:針對結(jié)構(gòu)的零部件，根據(jù)提供的結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性，進(jìn)行動力學(xué)建模，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，采用不同的有限元單元，完成對結(jié)構(gòu)零部件的動力學(xué)建模；
[0010]步驟4:針對每個零部件,完成模型的初步確認(rèn):確認(rèn)結(jié)構(gòu)的尺寸、材料參數(shù)，并進(jìn)行初步分析，確定有限元模型的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)與結(jié)構(gòu)特性一致；
[0011]步驟5:針對點式連接面，對連接的前后面進(jìn)行細(xì)化建模，確定點式連接個數(shù)；
[0012]步驟6:根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定點式連接點的位置參數(shù)；
[0013]步驟7:在步驟6中確定的連接點位置上，根據(jù)點式連接結(jié)構(gòu)的長度，建立相應(yīng)的梁單元；
[0014]步驟8:利用MPC多點約束，分別將梁單元的前后端點與前后連接結(jié)構(gòu)固定連接，分別約束6個自由度；
[0015]步驟9:根據(jù)點式連接的材料屬性，調(diào)整連接梁單元的材料參數(shù)；
[0016]步驟10:對連接梁單元進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，變量為彈性模量，關(guān)注的目標(biāo)為整體結(jié)構(gòu)的固有頻率，當(dāng)彈性模量接近某一值時，整體結(jié)構(gòu)的固有頻率已基本穩(wěn)定，取此時的材料參數(shù)為點式連接面的建模參數(shù)；
[0017]步驟11:利用步驟10中確定的參數(shù)進(jìn)行點式連接的動力學(xué)建模，并預(yù)示整體固有頻率，并與結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證該建模方法的有效性。
[0018]所述步驟2中結(jié)構(gòu)模型為proe或catia結(jié)構(gòu)模型。
[0019]所述步驟3中有限元單元包括梁單元、殼單元、實體單元。
[0020]所述步驟5中點式連接個數(shù)包括螺栓連接個數(shù)。
[0021]所述步驟9中材料參數(shù)包括彈性模量、泊松比以及密度。
[0022]所述步驟9中梁單元的彈性模量要低于其材料本身的彈性模量。
[0023]所述的梁單元的彈性模量為其材料本身彈性模量的1/10?1/20。
[0024]本發(fā)明所取得的有益效果為:
[0025]本發(fā)明是針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)連接面的點式連接方式，實現(xiàn)對該連接的動力學(xué)簡化和建模，并準(zhǔn)確預(yù)示該復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性。本發(fā)明能夠有效的對點式連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，并適當(dāng)?shù)哪M連接剛度，準(zhǔn)確預(yù)示結(jié)構(gòu)的整體動特性，與試驗結(jié)果一致，具有較好的實際應(yīng)用價值。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0027]本發(fā)明所述復(fù)雜點式連接結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模方法包括如下步驟:
[0028]步驟1:根據(jù)整體結(jié)構(gòu)形式，確定結(jié)構(gòu)的零部件以及連接面；
[0029]步驟2:將proe或catia結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入有限元前處理軟件中，完成對不同零部件的分組處理和簡化；
[0030]步驟3:針對結(jié)構(gòu)的零部件，根據(jù)提供的結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性，進(jìn)行動力學(xué)建模，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，采用不同的有限元單元，如梁單元、殼單元、實體單元等，完成對結(jié)構(gòu)零部件的動力學(xué)建模。
[0031]步驟4:針對每個零部件，完成模型的初步確認(rèn)。確認(rèn)結(jié)構(gòu)的尺寸、材料參數(shù)，并進(jìn)行初步分析，確定有限元模型的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)與結(jié)構(gòu)特性一致；
[0032]步驟5:針對點式連接面，對連接的前后面進(jìn)行細(xì)化建模，確定點式連接個數(shù)，如螺栓連接個數(shù)；
[0033]步驟6:根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定點式連接點的位置參數(shù)；
[0034]步驟7:在步驟6中確定的連接點位置上，根據(jù)點式連接結(jié)構(gòu)的長度，如螺栓長度，建立相應(yīng)的梁單元；
[0035]步驟8:利用MPC多點約束，分別將梁單元的前后端點與前后連接結(jié)構(gòu)固定連接，分別約束6個自由度；
[0036]步驟9:根據(jù)點式連接的材料屬性，調(diào)整連接梁單元的材料參數(shù)，包括彈性模量，泊松比以及密度。由于連接的存在，該梁單元的彈性模量要低于其材料本身的彈性模量，根據(jù)預(yù)緊力的不同，一般為材料本身彈性模量的1/10?1/20 ；
[0037]步驟10:對連接梁單元進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，變量為彈性模量，關(guān)注的目標(biāo)為整體結(jié)構(gòu)的固有頻率，當(dāng)彈性模量接近某一值時，整體結(jié)構(gòu)的固有頻率已基本穩(wěn)定，取此時的材料參數(shù)為點式連接面的建模參數(shù)；
[0038]步驟11:利用步驟10中確定的參數(shù)進(jìn)行點式連接的動力學(xué)建模，并預(yù)示整體固有頻率，并與結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證該建模方法的有效性。
【主權(quán)項】
1.一種復(fù)雜點式連接結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:根據(jù)整體結(jié)構(gòu)形式，確定結(jié)構(gòu)的零部件以及連接面； 步驟2:將結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入有限元前處理軟件中，完成對不同零部件的分組處理和簡化；步驟3:針對結(jié)構(gòu)的零部件，根據(jù)提供的結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性，進(jìn)行動力學(xué)建模，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，采用不同的有限元單元，完成對結(jié)構(gòu)零部件的動力學(xué)建模； 步驟4:針對每個零部件，完成模型的初步確認(rèn):確認(rèn)結(jié)構(gòu)的尺寸、材料參數(shù)，并進(jìn)行初步分析，確定有限元模型的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)與結(jié)構(gòu)特性一致； 步驟5:針對點式連接面，對連接的前后面進(jìn)行細(xì)化建模，確定點式連接個數(shù)； 步驟6:根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定點式連接點的位置參數(shù)； 步驟7:在步驟6中確定的連接點位置上，根據(jù)點式連接結(jié)構(gòu)的長度，建立相應(yīng)的梁單元; 步驟8:利用MPC多點約束，分別將梁單元的前后端點與前后連接結(jié)構(gòu)固定連接，分別約束6個自由度； 步驟9:根據(jù)點式連接的材料屬性，調(diào)整連接梁單元的材料參數(shù)； 步驟10:對連接梁單元進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，變量為彈性模量，關(guān)注的目標(biāo)為整體結(jié)構(gòu)的固有頻率，當(dāng)彈性模量接近某一值時，整體結(jié)構(gòu)的固有頻率已基本穩(wěn)定，取此時的材料參數(shù)為點式連接面的建模參數(shù)； 步驟11:利用步驟10中確定的參數(shù)進(jìn)行點式連接的動力學(xué)建模，并預(yù)示整體固有頻率，并與結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證該建模方法的有效性。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜點式連接結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模方法，其特征在于:所述步驟2中結(jié)構(gòu)模型為proe或catia結(jié)構(gòu)模型。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜點式連接結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模方法，其特征在于:所述步驟3中有限元單元包括梁單元、殼單元、實體單元。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜點式連接結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模方法，其特征在于:所述步驟5中點式連接個數(shù)包括螺栓連接個數(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜點式連接結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模方法，其特征在于:所述步驟9中材料參數(shù)包括彈性模量、泊松比以及密度。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜點式連接結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模方法，其特征在于:所述步驟9中梁單元的彈性模量要低于其材料本身的彈性模量。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種復(fù)雜點式連接結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模方法，其特征在于:所述的梁單元的彈性模量為其材料本身彈性模量的1/10?1/20。
【專利摘要】本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)建模技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)雜點式連接結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模方法。包括如下步驟：確定結(jié)構(gòu)的零部件以及連接面；完成對不同零部件的分組處理和簡化；針對結(jié)構(gòu)的零部件，進(jìn)行動力學(xué)建模；針對每個零部件，完成模型的初步確認(rèn)：針對點式連接面，對連接的前后面進(jìn)行細(xì)化建模，確定點式連接個數(shù)；確定點式連接點的位置參數(shù)；根據(jù)點式連接結(jié)構(gòu)的長度，建立相應(yīng)的梁單元；分別將梁單元的前后端點與前后連接結(jié)構(gòu)固定連接，分別約束6個自由度；調(diào)整連接梁單元的材料參數(shù)；對連接梁單元進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；進(jìn)行點式連接的動力學(xué)建模，并驗證該建模方法的有效性。本發(fā)明可以解決結(jié)構(gòu)整體動力學(xué)特性分析過程中連接面建模的問題。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105631061
【申請?zhí)枴緾N201410594554
【發(fā)明人】楊巍, 高慶, 盧鳳翎, 梁德利, 張皓, 袁銳知
【申請人】北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所, 中國運載火箭技術(shù)研究院
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2014年10月29日