一种连接结构刚度精细化建模方法技术

本发明专利技术公开了一种连接结构刚度精细化建模方法，包括获取连接结构接触面的分形维数D和分形粗糙度G；基于D、G和接触面上微凸体的最大接触面积a

【技术实现步骤摘要】
一种连接结构刚度精细化建模方法


[0001]本专利技术属于机械装备连接结构力学领域，尤其涉及一种连接结构刚度精细化建模方法。

技术介绍

[0002]机械装备通常是一个复杂系统，存在着大量的连接结构，最典型的有航空发动机和燃气轮机的转子系统、航天航空装备中的变形结构、各类数控机床等。连接结构中必然存在结合面，破坏了结构的连续性，同时引入了大量非线性因素，造成整个结构的静、动态力学特性变得极其复杂，给装备动态特性的预测带来了很大难度。研究表明，机械系统中结合面带来了大约60％
‑
80％的结构刚度和90％的阻尼。连接结构在承受动态载荷时，会表现出刚度软化、黏滑摩擦等复杂的力学行为，严重影响结构乃至整个装备的性能。因此，对连接结构的刚度进行准确模拟和计算，具有重要的理论意义和工程应用价值。
[0003]目前，对于连接结构结合面的刚度问题，主要有两种建模思想：一种是考虑微凸体的高度尺寸服从统计学分布，一种是考虑微凸体接触面积服从分形特征。在建模流程上，两种方法均是先建立单个微凸体之间的接触刚度模型，再利用统计学分布函数或分形几何理论扩展到整个接触面，从而得到整个结合面的连接刚度。但实际上，结合面上微凸体的尺寸分布是极其复杂的，甚至存在着尺度差异，而已有建模方法尚未考虑微凸体的尺度问题，导致连接刚度建模的准确性不足，降低实际应用效果。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述缺陷，提供一种连接结构刚度精细化建模方法，解决了已有建模方法未考虑微凸体的尺度问题导致连接刚度建模的准确性不足的技术问题。本专利技术考虑了连接结构接触面上微凸体的尺度差异，提高了连接结构刚度的计算精度。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种连接结构刚度精细化建模方法，包括：
[0007]获取连接结构接触面的分形维数D和分形粗糙度G；
[0008]基于连接结构接触面的分形维数D、分形粗糙度G和接触面上微凸体的最大接触面积a
L
建立接触面法向总载荷P的表达式；
[0009]获取接触面法向总载荷P的值，根据接触面法向总载荷P的表达式得到接触面上微凸体的最大接触面积a
L
；
[0010]建立连接刚度K
n
的表达式，将接触面上微凸体的最大接触面积a
L
代入连接刚度K
n
的表达式中，得到连接结构刚度。
[0011]进一步的，获取连接结构接触面的分形维数D和分形粗糙度G的方法包括：
[0012]在连接结构接触面中选定待测接触表面；
[0013]在待测接触表面上任意取N个区域，利用表面形貌仪测量各区域的轮廓曲线；N≥5；
[0014]根据各区域的轮廓曲线得到N个区域分别对应的分形维数D1、D2、
……
、D
N
，以及分形粗糙度G1、G2、
……
、G
N
；
[0015]根据D1、D2、
……
、D
N
得到连接结构接触面的分形维数D，根据G1、G2、
……
、G
N
得到连接结构接触面的分形粗糙度G。
[0016]进一步的，连接结构接触面的分形维数D和分形粗糙度G的表达式为：
[0017][0018][0019]其中，D
i
代表第i个区域对应的分形维数，G
i
代表第i个区域对应的分形粗糙度，1≤i≤N。
[0020]进一步的，在连接结构接触面中选定待测接触表面的方法为：
[0021]在组成连接结构接触面的两个接触表面中选定其中一个接触表面作为待测接触表面；
[0022]当两个接触表面的材料软硬相同，任选其中一个接触表面作为待测接触表面；当两个接触表面的材料软硬不同，选定较软的一个接触表面作为待测接触表面。
[0023]进一步的，接触面法向总载荷P的表达式为：
[0024][0025]其中，a表示接触面上微凸体的接触面积，n(a)表示接触面上微凸体接触面积的分布函数，k
ne
表示微凸体发生弹性变形时的刚度，k
nep
表示微凸体发生弹塑性变形时的刚度，n表示与微凸体尺度大小相关的频率指数，n
ce
表示发生弹性变形的微凸体的临界弹性指数，n
cp
表示发生塑性变形的微凸体的临界塑性指数，n
min
表示微凸体的最小频率指数，n
max
表示微凸体的最大频率指数，a
ce
(n)表示频率指数为n的微凸体的临界弹性接触面积，a
cp
(n)表示频率指数为n的微凸体的临界塑性接触面积，P
ep
(a)表示微凸体在弹塑性变形阶段的接触力，P
p
(a)表示微凸体在塑性变形阶段的接触力，P
e
(a)表示微凸体在弹性变形阶段的接触力；
[0026]其中，P
e
(a)、P
ep
(a)、n
ce
、n
cp
、k
nep
、k
ne
分别为分形维数D或分形粗糙度G的表达式。
[0027]进一步的，其中，E表示材料的等效弹性模量，l表示微凸体的尺度；
[0028]其中，m表示指数，为一常数，其取值范围为1<m<1.5，a
ce
表示微凸体发生最大弹性变形时的接触面积，p
ce
表示微凸体发生最大弹性变形时接触力；
[0029][0030]其中，σ
y
表示待测接触表面的材料的屈服强度，f表示微凸体接触应力场的最大值；
[0031]其中，int表示向下取整，γ表示微凸体的尺度参数；
[0032]其中，H表示材料的等效布氏硬度。
[0033]进一步的，
[0034][0035]其中，δ
ce
表示微凸体的临界弹性变形量，s表示指数，s＝m
‑
1；其中，R表示微凸体顶端的曲率半径，
[0036]进一步的，其中，E1、E2表示连接结构结合部位两种材料的弹性模量，v1、v2表示连接结构结合部位两种材料的泊松比；
[0037]其中，H1、H2表示连接结构结合部位两种材料的布氏硬度；
[0038]其中，u表示待测接触表面所属材料内部某一点与待测接触表面之间的垂直距离，v表示待测接触表面的材料的泊松比。
[0039]进一步的，p
p
(a)＝Ha；其中，H表示材料的等效布氏硬度；
[0040]其中，γ表示微凸体的尺度参数，l
max
表示微凸体的最大尺度，l
min
表示微凸体的最小尺度。
[0041]进一步的，连接刚度K...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连接结构刚度精细化建模方法，其特征在于，包括：获取连接结构接触面的分形维数D和分形粗糙度G；基于连接结构接触面的分形维数D、分形粗糙度G和接触面上微凸体的最大接触面积a
L
建立接触面法向总载荷P的表达式；获取接触面法向总载荷P的值，根据接触面法向总载荷P的表达式得到接触面上微凸体的最大接触面积a
L
；建立连接刚度K
n
的表达式，将接触面上微凸体的最大接触面积a
L
代入连接刚度K
n
的表达式中，得到连接结构刚度。2.根据权利要求1所述的一种连接结构刚度精细化建模方法，其特征在于，获取连接结构接触面的分形维数D和分形粗糙度G的方法包括：在连接结构接触面中选定待测接触表面；在待测接触表面上任意取N个区域，利用表面形貌仪测量各区域的轮廓曲线；N≥5；根据各区域的轮廓曲线得到N个区域分别对应的分形维数D1、D2、
……
、D
N
，以及分形粗糙度G1、G2、
……
、G
N
；根据D1、D2、
……
、D
N
得到连接结构接触面的分形维数D，根据G1、G2、
……
、G
N
得到连接结构接触面的分形粗糙度G。3.根据权利要求2所述的一种连接结构刚度精细化建模方法，其特征在于，连接结构接触面的分形维数D和分形粗糙度G的表达式为：触面的分形维数D和分形粗糙度G的表达式为：其中，D
i
代表第i个区域对应的分形维数，G
i
代表第i个区域对应的分形粗糙度，1≤i≤N。4.根据权利要求2所述的一种连接结构刚度精细化建模方法，其特征在于，在连接结构接触面中选定待测接触表面的方法为：在组成连接结构接触面的两个接触表面中选定其中一个接触表面作为待测接触表面；当两个接触表面的材料软硬相同，任选其中一个接触表面作为待测接触表面；当两个接触表面的材料软硬不同，选定较软的一个接触表面作为待测接触表面。5.根据权利要求2所述的一种连接结构刚度精细化建模方法，其特征在于，接触面法向总载荷P的表达式为：其中，a表示接触面上微凸体的接触面积，n(a)表示接触面上微凸体接触面积的分布函数，k
ne
表示微凸体发生弹性变形时的刚度，k
nep
表示微凸体发生弹塑性变形时的刚度，n表示与微凸体尺度大小相关的频率指数，n
ce
表示发生弹性变形的微凸体的临界弹性指数，n
cp
表
示发生塑性变形...

【专利技术属性】
技术研发人员：宗凯，钟杰华，俞启东，马梦颖，雍颖琼，贾晓璇，徐武欣，吕殿君，仇公望，王宇航，许元男，雷建长，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：