[发明专利]一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法

说明书

本发明公开了一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法，首先，根据螺栓连接结构几何特征建立参数化螺栓连接结构三维几何模型，分别设置材料属性和单元类型，参数化离散分网构建包含接触对和预紧单元的螺栓连接结构有限元模型。其次，在预紧状态下对螺栓连接结构进行静力学分析，获取被连接件内部压力分布云图和结合面接触压力分布云图。最后，根据压力分布特征，利用多项式分段函数构造螺栓连接结合面压力分布的数学表达式，表达式系数通过曲线特征和力平衡关系确定。该方法适用于各种螺栓型号和各种材料类型的螺栓连接结构，具有准确度高和稳定性好的优点，为螺栓连接结构结合面连接刚度的高精度计算奠定了基础。

技术领域

本发明涉及机械连接结构的结合面压力分布表征方法，具体涉及一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法。

背景技术

螺栓连接作为机械连接的一种典型连接形式具有易于拆装和连接刚度大等优点，被广泛应用于机械、化工、航空航天等领域。螺栓连接结构通过接触界面传递载荷和运动，结合面的力学性能制约着结构整体性能的发挥，由此带来的结合面接触压力分布研究就成为螺栓连接动力学分析的主要内容。螺栓连接结构结合面接触压力分布的定量表征直接决定了连接刚度的计算精度，对于螺栓组件在外部载荷作用下动态性能的预测和循环疲劳寿命的评估具有重要的实用价值。

目前主要通过实验方法研究螺栓连接结合面的压力分布，压力敏感膜和界面超声反射是常用的两种实验技术，通过实验获得结合面不同位置处的接触压力散点图，采用高斯函数或Weibull分布函数对实验结果进行曲线拟合，进而表征结合面的压力分布。然而对于不同尺寸的螺栓连接结构，实验方法需要耗费大量的人力和财力成本。另外，连接界面的表面粗糙度严重影响了这些实验技术的稳定性和一致性，难以准确定量表征连接界面的压力分布，制约着连接刚度的计算和整体结构动态性能的分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法，以克服现有技术的缺点，本发明通过数值模拟技术分析螺栓连接结构结合面压力分布特征，利用多项式分段函数对结合面的压力分布进行数学表征，为结合面连接刚度的高精度计算、整体螺栓连接结构动态性能的预测和循环疲劳寿命的评估奠定基础。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种螺栓连接结合面压力分布的数学表征方法，包括以下步骤：

(1)根据螺栓连接结构几何特征建立参数化螺栓连接结构三维几何模型，所述螺栓连接结构为单螺栓连接结构，包含被连接件和螺栓连接件，被连接件包括上板和下板；

(2)分别设置螺栓连接结构三维实体模型的材料属性和单元类型，参数化离散分网构建螺栓连接结构有限元模型；

(3)对预紧状态下的螺栓连接结构有限元模型进行静力学分析，获得被连接件内部压力分布云图和结合面接触压力分布云图；

(4)根据被连接件内部压力分布和结合面接触压力分布特征，利用多项式分段函数构造螺栓连接结合面压力分布的数学表达式，依据压力分布曲线特征和力平衡条件计算数学表达式的系数。

所述步骤(1)中的螺栓连接结构三维几何模型忽略掉螺纹连接部分，螺柱简化为光杆，螺头和螺母简化为圆柱结构。

所述步骤(2)中螺栓连接结构有限元模型在ANSYS中建立，包含了三处接触单元设置和一处预紧单元设置，三处接触单元设置分别为螺头与上板结合面单元、上板与下板结合面单元、下板与螺母结合面单元，一处预紧单元为螺柱中间平面单元。

所述步骤(3)中被连接件内部压力分布特征呈现出以结合面为对称平面的空间圆锥体对称分布，结合面接触压力分布特征为接触压力沿螺孔圆周方向均匀分布，沿螺孔径向方向先增大到最大值然后逐渐减小为零。

所述步骤(4)中构造的数学表达式具体指螺栓连接结合面上沿螺孔径向方向压力分布的数学表征，如下式所示：