阅读说明：本技术 一种摩擦间隙配合的支杆连接结构动特性分析方法 (Dynamic characteristic analysis method for friction clearance fit support rod connection structure ) 是由 王一凡 崔慧永 孙晓玲 王捷冰 高鹏 肖振 贺峥光 陈岩 王淑玉 于 2021-06-07 设计创作，主要内容包括：本发明是一种基于等效能量理论的摩擦间隙配合的支杆连接结构动特性分析方法。包括步骤：采用模态叠加的稳态动力学分析方法,对完全连接关系的有限元模型进行基于频域的正弦扫频分析,获得正弦扫频分析结果；提取出连接支杆在对应响应强度振动下的截面力载荷作为支杆截面载荷；将支杆截面载荷和摩擦力f进行对比；若支杆截面载荷大于摩擦力,则进行等效处理,获得等效后的有限元分析模型；对等效后的有限元分析模型再次进行正弦扫频分析,得到考虑摩擦间隙配合下的结构动特性响应。本发明能够解决支撑结构接头摩擦间隙配合导致的大尺寸结构动特性预示难的问题。(The invention relates to a dynamic characteristic analysis method of a friction clearance fit support rod connecting structure based on an equivalent energy theory. The method comprises the following steps: performing frequency domain-based sine frequency sweep analysis on the finite element model with the complete connection relation by adopting a steady state dynamics analysis method of modal superposition to obtain a sine frequency sweep analysis result; extracting the section force load of the connecting support rod under the vibration of the corresponding response strength as the section load of the support rod; comparing the cross-section load of the strut with the friction force f; if the load of the section of the strut is larger than the friction force, performing equivalent treatment to obtain an equivalent finite element analysis model; and performing sinusoidal frequency sweep analysis on the equivalent finite element analysis model again to obtain the structural dynamic characteristic response under the condition of considering friction clearance fit. The invention can solve the problem that the dynamic characteristic prediction of a large-size structure is difficult due to the friction clearance fit of the joints of the supporting structure.)

一种摩擦间隙配合的支杆连接结构动特性分析方法

技术领域

本发明属于支杆连接结构动特性分析技术领域，特别是一种摩擦间隙配合的支杆连接结构动特性分析方法。

背景技术

随着未来飞行器的不断探索和发展，对速度及射程提出了更高的要求，因此飞行器结构轻质化成为重要性能指标。

碳/双马等树脂基复合材料相比于传统的铝/镁合金材料具有相近的刚度性能、高温性能，更高的强度性能，以及更小的密度，树脂基复合材料逐渐成为未来飞行器结构系统的重要选择。

由于制造工艺限制，树脂基复合材料承力结构通常为多结构拼接形式，所以结构间采用大量紧固件进行连接，因此承力结构间的摩擦间隙配合关系导致结构在大量级振动载荷下的动特性下降明显，超出设计范围，由于间隙配合为边界非线性问题，使得传统基于频域的结构动特性计算方法很难进行准确预示。因此，需要提出一种新的针对大尺度树脂基复合材料拼接结构特点的动特性预示方法，即能准确预示结构非线性特性，又能满足工程高效分析需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，为解决支撑结构接头摩擦间隙配合导致的大尺寸结构动特性预示难的问题，基于等效能量理论，提供了一种摩擦间隙配合的支杆连接结构动特性分析方法。

本发明的技术解决方案是：

一种摩擦间隙配合的支杆连接结构动特性分析方法，包括步骤如下：

1)建立支杆连接结构的完全连接关系有限元分析模型；

2)采用模态叠加的稳态动力学分析方法，对步骤1)完全连接关系的有限元模型进行基于频域的正弦扫频分析，获得正弦扫频分析结果；

3)从步骤2)获得的正弦扫频分析结果中，提取出连接支杆(1)在对应响应强度振动下的截面力载荷作为支杆截面载荷；

4)将支杆截面载荷和摩擦力f进行对比；若支杆截面载荷小于摩擦力，则根据步骤2)完全连接关系有限元模型的正弦扫频分析获得结构最终动特性结果，不再进行后续步骤；若支杆截面载荷大于摩擦力，则进入步骤5)；

5)进行等效处理，获得等效后的有限元分析模型；

6)采用与步骤2)条件一致的模态叠加的稳态动力学分析方法，对步骤5) 等效后的有限元分析模型再次进行正弦扫频分析，得到考虑摩擦间隙配合下的结构动特性响应。

支杆连接结构，包括：连接支杆(1)、连接接头(2)和连接螺栓(4)；

连接块(3)固定安装在主体结构的前端框上，连接接头(2)通过连接块 (3)固定连接主体结构；连接接头(2)的一端和连接块(3)之间通过螺纹副连接，连接接头(2)的另一端插入连接支杆(1)上端，连接接头(2)的另一端与支杆上端通过连接螺栓(4)固定连接，支杆下端固定安装主体结构内部的承力结构上。

步骤2)所述摩擦力f由连接支杆(1)与连接螺栓(4)之间的拧紧力矩产生。

步骤2)所述摩擦力f，具体为：

f＝sKT

其中，s为摩擦系数，K为连接螺栓(4)的拧紧力矩系数，T为连接螺栓 (4)的拧紧力矩。

步骤5)所述进行等效处理的方法，具体为：

解除连接支杆(1)、连接接头(2)和连接螺栓(4)之间的完全绑定，在连接支杆(1)与连接接头(2)之间建立等效弹簧单元，将连接支杆(1)下端与主体结构进行绑定连接，将连接接头(2)和主体结构进行绑定连接。

所述等效弹簧单元的等效刚度K_eq，基于等效能量方法确定。

所述等效弹簧单元的等效刚度K_eq，根据连接支杆(1)与连接接头(2)之间的间隙公差设计值δ_gc，连接支杆(1)的刚度K_zg以及步骤3)所述支杆截面力载荷下的连接支杆(1)的轴向变形δ_zg确定。

所述等效弹簧单元的等效刚度K_eq，具体为：

f＝sKT。

所述步骤1)的建立支杆连接结构的完全连接关系，具体为：

将连接支杆(1)下端与主体结构连接区域以及连接接头(2)与主体结构连接区域的自由度定义为完全绑定状态，将连接接头(2)和连接螺栓设置为弹性体，对连接支杆(1)、连接接头(2)和连接螺栓之间的自由度进行完全绑定。

与现有技术相比的优点在于：

本发明通过识别摩擦状态，判断摩擦间隙配合影响程度，通过等效能量理论，将非线性边界条件线性化，即可降低设计的时间成本，又可以准确预示结构动特性结果，本方法设计的预示精确度可达到5％以内。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明支杆连接结构示意图。

具体实施方式

本发明基于等效能量理论，结合摩擦状态预判断分析，能够精准、高效预示摩擦间隙配合结构的动特性。

一种摩擦间隙配合的支杆连接结构动特性分析方法，包括如下步骤：

1)建立支杆连接结构的完全连接关系有限元分析模型

将连接支杆1下端与主体结构连接区域以及连接接头2与主体结构连接区域的自由度定义为完全绑定状态，将连接接头2和连接螺栓设置为弹性体，对连接支杆1、连接接头2和连接螺栓三者之间的自由度进行完全绑定；

如图2所示，支杆连接结构，包括：连接支杆1、连接接头2和连接螺栓 4。连接关系如图2所示。连接块3固定安装在主体结构(舱段)的前端框上，连接接头2通过连接块3固定连接主体结构；连接接头2的一端和连接块3之间通过螺纹副连接，连接接头2的另一端插入连接支杆1上端，连接接头2的另一端与支杆上端通过连接螺栓4固定连接(连接螺栓螺纹连接的同时起到销钉的作用)，支杆下端固定安装主体结构内部的承力结构上。

2)采用模态叠加的稳态动力学分析方法，对步骤1)完全连接关系的有限元模型进行基于频域的正弦扫频分析，获得正弦扫频分析结果；

3)从步骤2)获得的正弦扫频分析结果中，提取出连接支杆1在对应响应强度振动下的截面力载荷作为支杆截面载荷；

4)将支杆截面载荷和摩擦力f进行对比；摩擦力f由连接支杆1与连接螺栓4之间的拧紧力矩产生；

f＝sKT；

其中，s为摩擦系数，K为螺栓拧紧力矩系数，T为螺栓拧紧力矩；

若支杆截面载荷小于摩擦力，则根据步骤2)完全连接关系有限元模型的正弦扫频分析获得结构最终动特性结果，不再进行后续步骤；

若支杆截面载荷大于摩擦力，则解除连接支杆1、连接接头2和连接螺栓之间的完全绑定，进入步骤5)；

5)进行等效处理

在连接支杆1与连接接头2之间建立等效弹簧单元，将连接支杆1下端与主体结构进行绑定连接，将连接接头2和主体结构进行绑定连接，获取连接支杆1上端与连接接头2之间的间隙公差设计值δ_gc，根据连接支杆1的截面尺寸与使用材料，获取连接支杆1的刚度K_zg，获取完全连接关系有限元模型中支杆截面力载荷下的连接支杆1的轴向变形δ_zg，基于等效能量方法可得弹簧单元的等效刚度K_eq为：f＝sKT。从而获得等效后的有限元分析模型；

6)采用与步骤2)条件一致的模态叠加的稳态动力学分析方法，对等效后的有限元分析模型再次进行正弦扫频分析，得到考虑摩擦间隙配合下的结构动特性响应。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。