一種復雜點式連接結構的動力學建模方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于結構建模技術領域，具體涉及一種復雜點式連接結構的動力學建模方法。
【背景技術】
[0002]機械產品為了滿足各種功能需求，一般都不是整體成型，而是由非常多的部件通過連接面組成。如多級火箭有很多艙段連接而成。由于整機中包括了大量的連接面，所以除了結構尺寸和材料屬性外，連接面對整機的動態特性影響很大，有調查表明機械結構中60%?80%的總動剛度、90 %的總阻尼都來自連接面，連接面的動態特性研究是機械動力學從零部件分析走向整體分析所面臨的重要技術問題之一。
[0003]在機械結構中，點式連接是常見的一種連接方式，如螺栓和螺釘連接。在結構整體建模中，點式連接面十分常見。在結構動力學分析中，點式連接結構的有限元分析屬于難點問題。由于結構中存在大量的連接面，給建立整體有限元模型帶來相當大的困難。長期以來人們從理論和實驗上對此進行了大量的研究。點式連接面的動力學建模是研究連接面動力學特性的重要手段。以火箭為例，其動力學特性很大程度上取決于艙段連接面的動特性，進而決定控制系統是否能穩定控制。因此，點式連接面的動力學建模方法的研究，對于研究整體結構的動特性具有重要意義。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種復雜點式連接結構的動力學建模方法，以解決結構整體動力學特性分析過程中連接面建模的問題。
[0005]為達到上述目的，本發明所采取的技術方案為:
[0006]一種復雜點式連接結構的動力學建模方法，包括如下步驟:
[0007]步驟1:根據整體結構形式，確定結構的零部件以及連接面；
[0008]步驟2:將結構模型導入有限元前處理軟件中，完成對不同零部件的分組處理和簡化；
[0009]步驟3:針對結構的零部件，根據提供的結構尺寸和材料屬性，進行動力學建模，根據結構特點，采用不同的有限元單元，完成對結構零部件的動力學建模；
[0010]步驟4:針對每個零部件,完成模型的初步確認:確認結構的尺寸、材料參數，并進行初步分析，確定有限元模型的質量、質心、轉動慣量參數與結構特性一致；
[0011]步驟5:針對點式連接面，對連接的前后面進行細化建模，確定點式連接個數；
[0012]步驟6:根據結構參數，確定點式連接點的位置參數；
[0013]步驟7:在步驟6中確定的連接點位置上，根據點式連接結構的長度，建立相應的梁單元；
[0014]步驟8:利用MPC多點約束，分別將梁單元的前后端點與前后連接結構固定連接，分別約束6個自由度；
[0015]步驟9:根據點式連接的材料屬性，調整連接梁單元的材料參數；
[0016]步驟10:對連接梁單元進行參數優化，變量為彈性模量，關注的目標為整體結構的固有頻率，當彈性模量接近某一值時，整體結構的固有頻率已基本穩定，取此時的材料參數為點式連接面的建模參數；
[0017]步驟11:利用步驟10中確定的參數進行點式連接的動力學建模，并預示整體固有頻率，并與結構的模態試驗結果進行對比，驗證該建模方法的有效性。
[0018]所述步驟2中結構模型為proe或catia結構模型。
[0019]所述步驟3中有限元單元包括梁單元、殼單元、實體單元。
[0020]所述步驟5中點式連接個數包括螺栓連接個數。
[0021]所述步驟9中材料參數包括彈性模量、泊松比以及密度。
[0022]所述步驟9中梁單元的彈性模量要低于其材料本身的彈性模量。
[0023]所述的梁單元的彈性模量為其材料本身彈性模量的1/10?1/20。
[0024]本發明所取得的有益效果為:
[0025]本發明是針對復雜結構連接面的點式連接方式，實現對該連接的動力學簡化和建模，并準確預示該復雜結構的動力學特性。本發明能夠有效的對點式連接結構進行簡化，并適當的模擬連接剛度，準確預示結構的整體動特性，與試驗結果一致，具有較好的實際應用價值。
【具體實施方式】
[0026]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0027]本發明所述復雜點式連接結構的動力學建模方法包括如下步驟:
[0028]步驟1:根據整體結構形式，確定結構的零部件以及連接面；
[0029]步驟2:將proe或catia結構模型導入有限元前處理軟件中，完成對不同零部件的分組處理和簡化；
[0030]步驟3:針對結構的零部件，根據提供的結構尺寸和材料屬性，進行動力學建模，根據結構特點，采用不同的有限元單元，如梁單元、殼單元、實體單元等，完成對結構零部件的動力學建模。
[0031]步驟4:針對每個零部件，完成模型的初步確認。確認結構的尺寸、材料參數，并進行初步分析，確定有限元模型的質量、質心、轉動慣量等參數與結構特性一致；
[0032]步驟5:針對點式連接面，對連接的前后面進行細化建模，確定點式連接個數，如螺栓連接個數；
[0033]步驟6:根據結構參數，確定點式連接點的位置參數；
[0034]步驟7:在步驟6中確定的連接點位置上，根據點式連接結構的長度，如螺栓長度，建立相應的梁單元；
[0035]步驟8:利用MPC多點約束，分別將梁單元的前后端點與前后連接結構固定連接，分別約束6個自由度；
[0036]步驟9:根據點式連接的材料屬性，調整連接梁單元的材料參數，包括彈性模量，泊松比以及密度。由于連接的存在，該梁單元的彈性模量要低于其材料本身的彈性模量，根據預緊力的不同，一般為材料本身彈性模量的1/10?1/20 ；
[0037]步驟10:對連接梁單元進行參數優化，變量為彈性模量，關注的目標為整體結構的固有頻率，當彈性模量接近某一值時，整體結構的固有頻率已基本穩定，取此時的材料參數為點式連接面的建模參數；
[0038]步驟11:利用步驟10中確定的參數進行點式連接的動力學建模，并預示整體固有頻率，并與結構的模態試驗結果進行對比，驗證該建模方法的有效性。
【主權項】
1.一種復雜點式連接結構的動力學建模方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:根據整體結構形式，確定結構的零部件以及連接面； 步驟2:將結構模型導入有限元前處理軟件中，完成對不同零部件的分組處理和簡化；步驟3:針對結構的零部件，根據提供的結構尺寸和材料屬性，進行動力學建模，根據結構特點，采用不同的有限元單元，完成對結構零部件的動力學建模； 步驟4:針對每個零部件，完成模型的初步確認:確認結構的尺寸、材料參數，并進行初步分析，確定有限元模型的質量、質心、轉動慣量參數與結構特性一致； 步驟5:針對點式連接面，對連接的前后面進行細化建模，確定點式連接個數； 步驟6:根據結構參數，確定點式連接點的位置參數； 步驟7:在步驟6中確定的連接點位置上，根據點式連接結構的長度，建立相應的梁單元; 步驟8:利用MPC多點約束，分別將梁單元的前后端點與前后連接結構固定連接，分別約束6個自由度； 步驟9:根據點式連接的材料屬性，調整連接梁單元的材料參數； 步驟10:對連接梁單元進行參數優化，變量為彈性模量，關注的目標為整體結構的固有頻率，當彈性模量接近某一值時，整體結構的固有頻率已基本穩定，取此時的材料參數為點式連接面的建模參數； 步驟11:利用步驟10中確定的參數進行點式連接的動力學建模，并預示整體固有頻率，并與結構的模態試驗結果進行對比，驗證該建模方法的有效性。2.根據權利要求1所述的一種復雜點式連接結構的動力學建模方法，其特征在于:所述步驟2中結構模型為proe或catia結構模型。3.根據權利要求1所述的一種復雜點式連接結構的動力學建模方法，其特征在于:所述步驟3中有限元單元包括梁單元、殼單元、實體單元。4.根據權利要求1所述的一種復雜點式連接結構的動力學建模方法，其特征在于:所述步驟5中點式連接個數包括螺栓連接個數。5.根據權利要求1所述的一種復雜點式連接結構的動力學建模方法，其特征在于:所述步驟9中材料參數包括彈性模量、泊松比以及密度。6.根據權利要求1所述的一種復雜點式連接結構的動力學建模方法，其特征在于:所述步驟9中梁單元的彈性模量要低于其材料本身的彈性模量。7.根據權利要求6所述的一種復雜點式連接結構的動力學建模方法，其特征在于:所述的梁單元的彈性模量為其材料本身彈性模量的1/10?1/20。
【專利摘要】本發明屬于結構建模技術領域，具體涉及一種復雜點式連接結構的動力學建模方法。包括如下步驟：確定結構的零部件以及連接面；完成對不同零部件的分組處理和簡化；針對結構的零部件，進行動力學建模；針對每個零部件，完成模型的初步確認：針對點式連接面，對連接的前后面進行細化建模，確定點式連接個數；確定點式連接點的位置參數；根據點式連接結構的長度，建立相應的梁單元；分別將梁單元的前后端點與前后連接結構固定連接，分別約束6個自由度；調整連接梁單元的材料參數；對連接梁單元進行參數優化；進行點式連接的動力學建模，并驗證該建模方法的有效性。本發明可以解決結構整體動力學特性分析過程中連接面建模的問題。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105631061
【申請號】CN201410594554
【發明人】楊巍, 高慶, 盧鳳翎, 梁德利, 張皓, 袁銳知
【申請人】北京臨近空間飛行器系統工程研究所, 中國運載火箭技術研究院
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2014年10月29日