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《螺栓結(jié)合面建模方法和模態(tài)研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、螺栓結(jié)合面建模方法和模態(tài)研究摘要：根據(jù)對結(jié)合面的處理方法的不同，采用了有限元分析軟件ANSYS建立了不同的螺栓結(jié)合面的有限元模型。在不同的螺栓預(yù)緊力情況下，對各個模型的進行了模態(tài)分析，得到了固有頻率。通過分析數(shù)據(jù)結(jié)果，總結(jié)了不同的結(jié)合面建模方式對系統(tǒng)的模態(tài)分析的影響。關(guān)鍵詞：螺栓結(jié)合面；模態(tài)分析；固有頻率；預(yù)緊力中圖分類號：TU313引言機械結(jié)構(gòu)中零件、組件和部件相互接觸的表面稱為結(jié)合面，它在機械結(jié)構(gòu)中大量地存在，使機械結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)不再是一個連續(xù)的整體。根據(jù)運動方式分類，結(jié)合面分可以分為為三類。第一類固定結(jié)合面，如螺紋聯(lián)接面
2、、鉀釘聯(lián)接面、銷聯(lián)接面和焊接聯(lián)接面等；第二類是半固定結(jié)合面，如摩擦離合器的聯(lián)接面［1］；第三類是運動結(jié)合面，如齒輪和鏈輪的嚙合面、絲杠螺母的聯(lián)接面、軸承聯(lián)接面和導(dǎo)軌聯(lián)接面等。本文研究的螺栓結(jié)合面是屬于固定結(jié)合面，主要起聯(lián)接固定的作用。在機械結(jié)構(gòu)中，螺栓結(jié)合面是應(yīng)用廣泛的一種連接方式，影響著整個系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，因此螺栓結(jié)合面的分析研究具有十分重要的意義。隨著電子計算機的迅速發(fā)展，有限元分析法的應(yīng)用越來越普遍。它是一種有效的數(shù)值分析方法，首先應(yīng)用于連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域，隨后很快廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)問
3、題[2]oANSYS是有限元分析領(lǐng)域的大型通用軟件之一，提供了用來模擬各種結(jié)構(gòu)和材料的單元類型、多種有限元分析功能模塊。它不但能用于對結(jié)構(gòu)、熱、磁場、流體等單獨研究，還能用于熱-結(jié)構(gòu)耦合和、流體-結(jié)構(gòu)耦合等。本文主要用ANSYS對螺栓結(jié)合面結(jié)構(gòu)進行動力學(xué)分析的模態(tài)分析，應(yīng)用計算結(jié)構(gòu)的固有頻率。1?模態(tài)分析的原理動力學(xué)分析類型包括瞬態(tài)動力學(xué)、諧響應(yīng)分析、模態(tài)分析和譜分析。其中，模態(tài)分析是其它動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，能使設(shè)計的結(jié)構(gòu)避免共振。模態(tài)分析的求解是針對下面的運動方程：上式的矩陣特征值即為系統(tǒng)的固
4、有頻率，系統(tǒng)的模態(tài)分析就是求解矩陣特征值和特征向量的問題。2?螺栓結(jié)合面的有限元模型螺栓結(jié)合面的建模方法不同，模態(tài)分析得到的固有頻率也不同，本文將采用粘接法和彈簧阻尼單元處理結(jié)合面進行建模。2.1粘結(jié)法的有限元模型螺栓結(jié)合面的處理方法中，粘結(jié)法是最簡單的一種方法。它是將被聯(lián)接件粘結(jié)為一體，再將整體模型劃分為有限元模型，最后進行模態(tài)分析。當對螺栓進行局部分析時，應(yīng)建立螺栓結(jié)構(gòu)的實體模型。本文是分別系螺栓結(jié)合面對整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，因此可以對螺栓結(jié)構(gòu)進行簡化。粘接法的模型示意圖如圖1所示。在建模過程中，將螺紋結(jié)構(gòu)忽略，螺桿采取
5、有效直徑建模，螺母螺桿粘結(jié)為一體。單元的材料屬性在有限元模型中起著重要的作用，模態(tài)分析中只需對材料的彈性模量、泊松比和密度進行定義。設(shè)置模型的材料屬性可查手冊，得到彈性模量為2.01X10PQ，泊松比為0.3,密度為7.8g/cm3o采用三維實體單元solidl86對模型進行網(wǎng)格劃分，Solidl86單元是20節(jié)點的3D固體結(jié)構(gòu)單元。有限元分析中，螺栓預(yù)緊力的模擬包括降溫法、預(yù)緊力單元法和滲透接觸法等。本文采用預(yù)緊力單元法，首先用PSMESH命令創(chuàng)建預(yù)緊截面，然后將預(yù)緊力直接加載到模型±o預(yù)緊單元PRETS179用在已經(jīng)劃
6、分好單元的螺栓上定義預(yù)緊截面，螺栓單元可以是二維的，也可以是三維的。結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖1所示。2.2彈簧阻尼單元法的有限元模型采用彈簧阻尼單元來模擬螺栓聯(lián)接的結(jié)合面時無螺母結(jié)構(gòu)，其它結(jié)構(gòu)的有限元模型與粘接法相同。需要確定結(jié)合面法向接觸剛度和切向接觸剛度，與結(jié)合面的材料、加工方法和表面質(zhì)量等有關(guān)，可由下式確定［3］：其中，F(xiàn)為螺栓的預(yù)緊力，n為螺栓的個數(shù)，A螺栓結(jié)合面的面積。3?有限元分析結(jié)果3.1粘接法的分析結(jié)果對預(yù)緊截面施加lkN、3kN、5kN的預(yù)緊力，分別分析模型的頻率和振型。用ANSYS軟件中的ModelAnal
7、ysis模塊提取不同預(yù)緊力的前三階固有頻率，如表1所示：由數(shù)據(jù)結(jié)果可知，當螺栓預(yù)緊力發(fā)生變化時，模型的固有頻率未發(fā)生變化。這是因為將結(jié)合面粘結(jié)處理后，模型成為一個整體，不能影響到模型的模態(tài)分析。3.2彈簧阻尼單元法的有限元模型將預(yù)緊力為lkN.3kN.5kN帶入公式(4)和(5)中得到相應(yīng)的法相接觸剛度和切向接觸剛度，然后分別進行建模分析計算。不同的預(yù)緊力的情況下的前三階固有頻率如表2所示:由數(shù)據(jù)結(jié)果可知隨著預(yù)緊力的增加，法向剛度和切向剛度也增大，模型的固有頻率也越來越大。4?結(jié)論本文用兩種方法來處理螺栓結(jié)合面，對相應(yīng)的模
8、型進行了模態(tài)分析。由分析結(jié)果可知，粘結(jié)法的分析結(jié)果要小于彈簧阻尼法。這是因為將結(jié)合面粘結(jié)處理時，有限元法人為結(jié)合面的剛度趨于無限大。彈簧阻尼法設(shè)置了法向剛度和切向剛度，更加接近實際模型，而粘結(jié)法的分析結(jié)果趨勢可以為其它方法提供參考。參考文獻[1]張學(xué)良，徐格寧等。機械結(jié)合面靜動態(tài)特性研究回顧及展望[J]
