基于夏氏法的螺栓连接结构传递函数辨识

2015-04-19王银惠赵俊生焦欢庆丁爱国

机械制造 2015年11期

□ 王银惠 □ 赵俊生 □ 焦欢庆 □ 丁爱国

中北大学机械与动力工程学院太原 030051

1 螺栓连接结构系统的设计

螺栓连接结构是一种常用构件的连接方式，其在机械结构中应用广泛。随着有限元分析技术的发展，应用CAE软件优化分析机械结构已逐步成熟，但其中有关接触问题的简化程度是影响分析精度的主要因素，而工程机械中诸多零部件间均采用螺栓连接［1］。为具体分析螺栓连接结构在复杂弹性体中的传递特性［2］，笔者设计一个螺栓连接系统，利用Pro/E建立三维模型（如图1所示），两个实心的T型圆柱杆由3个M14的六角头螺栓连接。

2 有限元模型中螺栓连接的简化方式

2.1 第一种简化方式

如图2所示，该简化方式是将螺栓杆结构简化成一根圆柱形的梁单元，其半径与螺栓的实际半径相等，梁单元的端部采用刚性单元与被连接件相连接，刚性单元的连接点一般取在以螺栓杆中心线为中心的圆上，用于模拟螺栓与被连接件之间的相对位置关系。

2.2 第二种简化方式

如图3所示，通过对螺栓结构分析，将螺栓和螺母结构简化成哑铃结构的刚性体。通过建立面与面之间对应网格节点的耦合关系，来控制相接触的被连接件之间的侵入和模拟它们之间的摩擦锁紧；同时配合螺栓预紧力的施加，来准确模拟螺栓连接区域的力学性能，以便较准确模拟构件的真实情况。在螺栓连接结构中间截面处添加大小为100 N的预紧力，分别定义螺栓与杆件的接触面，并设定为小滑移，设置接触控制为自动容差控制。

2.3 模态分析及连接试验

导入Pro/E建立的试验模型，利用Hyper Mesh 软件［10］进行前处理［3］，材料属性定义弹性模量为 212 GPa，泊松比为 0.288，密度为7.83 g/cm3，所划分的有限元模型节点数为1 296，单元数为4 170。定义接触分析，约束位置为变截面处，即模态试验构件悬吊位置，通过模态分析得到该连接构件的各阶振型及固有频率，振型如图4所示。在第一种简化情况下，连接构件在低阶频率下连接正常，但在高阶频率下构件已经出现错位现象。

为进一步分析有限元模型与真实构件的误差程度，采用Q235-A钢试制模型，螺栓等级为8级的全螺纹六角头螺栓，连接后加载相应预紧力，进行模态试验，结果见表1。

▲图1 螺栓连接系统模型

▲图2 第一种简化方式

▲图3 第二种简化方式

对比发现，一～六阶对应模态频率，两种简化方式对应模态频率与试验频率存在很大偏差，这是因为试验模态中传感器等部件的安装给试验带来一定误差，但由于自由模态都接近于0，可以认为简化有效；而七～十阶对应模态频率，第一种简化方式相对第二种简化方式，有限元模态频率与试验模态频率存在误差较大，因此，选择第二种简化方式进行螺栓连接［8］结构传递函数的辨识。