螺栓连接圆柱壳的动力学特性研究

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圆柱壳结构具有结构简单、性能好、重量轻等优点,因此广泛应用于航空航天、航海、土木等诸多工程领域。在实际工程应用中圆柱壳通常会被加工成分段的形式,然后通过连接结构将其装配到一起,其中螺栓连接由于具有结构简单、易于加工、便于拆卸、承载能力高、可靠性好等诸多优点被广泛的应用到圆柱壳的连接装配中。螺栓连接改变了装配结构的连续性,在局部存在界面摩擦、非线性连接刚度等多种复杂的非线性现象,对螺栓连接圆柱壳的动力学特性会产生影响。因此对螺栓连接圆柱壳开展建模及动力学特性研究是十分有必要的。本文以螺栓连接圆柱壳为研究对象,围绕螺栓连接的非线性模型建立及模型参数辨识、螺栓连接圆柱壳的振动特性展开研究,论文的主要研究内容包括以下四个方面:(1)采用三维宏观滑移迟滞模型对连接界面之间的迟滞非线性特征进行模拟,采用分段线性模型对螺栓沿连接界面法向的约束进行模拟。通过准静态实验获得了螺栓连接试验件的迟滞曲线及拉压曲线,通过优化和分段线性拟合对模型参数进行辨识。根据实验结果分析了连接部位等效刚度与耗散能随预紧力和剪切载荷幅值的变化规律。(2)将螺栓连接模型应用于圆柱壳,基于Sanders薄壳理论,采用半解析方法建立了螺栓连接圆柱壳的非线性动力学模型。通过数值积分方法求解了圆柱壳在螺栓连接作用下的振动响应,对预紧力、激励幅值、摩擦系数、螺栓个数等参数对圆柱壳幅频特性及连接界面接触状态的影响进行了分析。(3)考虑接触压力在接触界面上的环行不均匀的空间分布特征,推导了一个新的临界滑移力密度函数,进而建立了一种改进的Iwan微滑移模型。将该模型引入螺栓连接模型中,建立了更加符合实际接触特征的考虑微滑移运动的螺栓连接非线性模型。通过前期所提出的参数辨识方法对该微滑移模型的参数进行了辨识,并对比分析了改进Iwan模型、Iwan模型、宏观滑移迟滞模型迟滞曲线间的区别。(4)将前文基于改进Iwan模型建立的螺栓连接简化非线性模型应用于法兰-圆柱壳模型,采用半解析方法建立了螺栓-法兰连接圆柱壳的动力学模型。为了更加准确的对连接结构进行建模和分析,在本章中考虑了法兰引起附加动能与势能以及偏心引起的螺栓对圆柱壳的力矩。分析了法兰尺寸对圆柱壳固有频率的影响以及预紧力、激励幅值对其振动响应的影响。
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