1.本发明涉及数字仿真技术领域，具体涉及一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法。
背景技术：2.随着计算机应用技术的突破与发展，基于有限元分析的数字仿真技术在结合部的动态特性等效建模中得到了广泛应用。借助有限元数值仿真技术，可以方便地对结合部的接触力学特性进行模拟，进而直观地分析接触过程中的变形及应力分布规律。目前，结合部的有限元模型大体上可以归为两大类。
3.第一类是基于弹簧阻尼单元的结合部有限元模型。yoshimura于1979年就提出了将机床的各个结合部等效为具有六个自由度的弹簧阻尼单元模型。随后，有不少学者都采用这一等效模型对结合部进行动力学分析与研究。xu等将主轴系统中的bt50主轴-刀柄结合部等效为一系列弹簧阻尼单元，建立了其等效动力学模型。ahmadian采用非线性的弹簧阻尼单元对螺栓结合部的阻尼进行了建模和参数识别研究。hu等也采用非线性弹簧单元对螺栓连接的t型试件进行了建模，并分析了该试件在循环载荷下的力学特性。kim等同样将结合部等效为弹簧单元，建立了不同结合条件下结合部的数值模型，并通过模态实验验证了数值模型的正确性。yang以悬臂梁结合部为研究对象，采用弹簧阻尼单元对其进行了等效建模，并进一步考虑了移动和转动自由度耦合情况对模型精度的影响。李院生等根据刚度等效原则，建立了单螺栓结合部的弹簧阻尼单元模型，并通过实验验证了模型的准确性。屈重年等以ansys软件为分析平台，考虑了螺栓连接结合部的影响问题，并采用弹簧阻尼单元建立了结合部的等效参数模型。基于弹簧阻尼单元的结合部有限元模型，其建模原理比较简单，但由于其建模方式复杂，很难适用于复杂螺栓连接或大型装配体结构的动态性能研究。
4.第二类是基于接触单元的结合部有限元模型。结合部问题的研究终究还是属于接触问题的研究，在有限元软件中可以直接通过定义接触单元来进行模拟。williams等采用接触单元建立了单螺栓结合部的有限元仿真模型，并通过解析法与实验测试的综合技术，分析了单螺栓结合部在承受外部拉伸载荷作用时的接触特性。kim等综合对比了螺栓结合部的几种有限元建模方法，并指出采用面面接触单元进行螺栓结合部建模时，与实验结果的一致性最好。yang等同样以接触单元建立了螺栓结合部的等效模型，在该等效模型的基础之上，修正了锥形压力分布连接件的刚度公式。周德廉采用接触单元和弹簧阻尼单元相结合的方法，对螺栓结合部进行了有限元法建模。刘宗山分别采用直接绑定法、接触单元法和弹簧阻尼单元法对结合部进行了有限元法建模，并比较了三种方法的优缺点及模拟精度。此外，采用接触单元法处理结合部问题的还有天津大学的张学玲和张兴朝。基于接触单元的结合部有限元模型，其优点在于可以直观的模拟结合部的接触状况。然而，接触分析在有限元软件中是一种高度的非线性分析，接触带来的非线性因素会导致接触问题的收敛计算变得复杂。此外，由于接触分析需要消耗更多的计算资源，所以对于结合部较多的实际结
构进行接触处理并不是很理想。
5.针对螺栓连接结构和法兰连接结构的刚度特性和模拟方法已经进行了大量且充分的研究，但研究中的大多没有考虑止口对法兰刚度特性的影响，更没有关注由止口接触面滑移导致的迟滞现象。因此带有止口的法兰连接结构的刚度特性及其模拟方法是需要研究的关键问题。因此，亟需一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法，以解决上述问题。
技术实现要素：6.本发明的目的在于提供一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法，以解决研究中的针对螺栓连接结构和法兰连接结构的刚度特性和模拟方法大多没有考虑止口对法兰刚度特性的影响，更没有关注由止口接触面滑移导致的迟滞现象的问题。
7.本发明提供一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法，包括：
8.基于ansys中的combin40单元模拟止口部分刚度，得到施加恒定载荷时的combin40单元刚度曲线和施加简谐载荷时的combin40单元刚度曲线；
9.基于ansys中的combin39单元模拟单向受拉刚度，得到施加简谐载荷时的轴向位移曲线和施加简谐载荷的combin39单元刚度曲线；
10.基于ansys建立有限元实体参数化模型；
11.根据有限元实体参数化模型中提取出的止口部分滑移力，刚度系数参数建立等效的简化模型；
12.对简化模型施加横向的简谐载荷，得到简化模型施加横向简谐载荷的转角载荷曲线；
13.对得到的数据进行分析并进行验证。
14.进一步地，基于ansys中的combin40单元模拟止口部分刚度，得到施加恒定载荷时的combin40单元刚度曲线和施加简谐载荷时的combin40单元刚度曲线，包括：
15.所述combin40是相互平行的弹簧滑动器和阻尼器的联合，并且串联着一个间隙控制器；所述combin40模拟螺栓连接部分止口部分非线性迟滞特性，根据ansys中combin40单元的单元特征和几何特征，设置实常数使k1+k2并联刚度模拟止口产生滑移之前的刚度特征，而k2则表示止口产生滑移之后的刚度特征，施加载荷，模拟止口部分非线性刚度的迟滞特征；建立单个combin40单元固定一端，对另一端施加载荷，得到施加恒定载荷时的combin40单元刚度曲线和施加简谐载荷时的combin40单元刚度曲线。
16.进一步地，基于ansys中的combin39单元模拟单向受拉刚度，得到施加简谐载荷时的轴向位移曲线和施加简谐载荷的combin39单元刚度曲线，包括：
17.基于ansys中的combin39单元，模拟螺栓连接部分安装边单向受拉特性，根据单元特性，设置实常数，和combin40单元不同的是，所述combin39单元的刚度不是用户手动输入的，而是程序自动根据f-d曲线求的；刚度k＝df/dd；f＝切应力*粘结面积；随着滑移的发展，刚度在不断退化；所述combin39单元通过设置实常数曲线设置正向刚度正常，反向刚度无限大，来模拟combin39单元可拉伸不可压缩的功能，施加简谐载荷，模拟机匣安装边部分非线性刚度的迟滞特征。
18.进一步地，基于ansys建立有限元实体参数化模型，包括：
19.基于ansys建立有限元实体参数化模型，通过设置实际的螺栓连接接触特性，设置一端约束，一端施加横向简谐载荷为边界条件，提取出止口部分的滑移力以及刚度曲线。为之后的简化模型提供数据支持和对比参照，得到转角载荷曲线。
20.进一步地，根据有限元实体参数化模型中提取出的止口部分滑移力，刚度系数参数建立等效的简化模型，包括：
21.用两个钢化平面模拟法兰安装边，梁单元代替机匣筒，分别用弹簧39单元、弹簧40单元以及两个14单元来等效模拟一个螺栓连接结构。
22.进一步地，对简化模型施加横向的简谐载荷，得到简化模型施加横向简谐载荷的转角载荷曲线，包括：
23.对所述简化模型进行相同的边界条件设置，施加横向的简谐载荷，模拟螺栓非线性的迟滞特性刚度，以加载点转角位移作为横坐标，施加的简谐载荷为纵坐标得到简化模型施加横向简谐载荷的转角载荷曲线。
24.进一步地，对得到的数据进行分析并进行验证，包括：
25.通过对得到的数据进行分析可知，对于带有止口的螺栓的连接结构，当连接结构受到平行于接触面的横向载荷时，将产生迟滞现象，根据弯曲刚度的不同，整个曲线可以划分为若干近似线性阶段：其中第一阶段为初始加载阶段，转角随着载荷的增加线性增加，在阶段一、二交界处结构的弯曲刚度发生突变，突变前后都为线性；第二阶段末端法兰转角达到最大，进而在第三阶段载荷进入卸载过程，此时法兰的弯曲刚度与第一阶段相同；第四阶段为载荷继续卸载过程，第五阶段为反向加载过程，这两阶段弯曲刚度近似为线性，只有在转角为零附近发生少许波动；弯曲刚度与第二阶段大体上保持一致；第六阶段阶段与第三阶段阶段一样为卸载过程，整个曲线去除第一阶段后关于原点对称；整个曲线存在两种刚度，其中第一、三、六阶段为一种刚度，第二、四、五阶段近似具有相同的刚度；并且验证了实体模型的刚度曲线可以通过基于ansys的combination单元进行模拟。
26.本发明的有益效果如下：本发明提供的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法，针对带有止口的螺栓的连接结构，通过基于ansys的combination单元进行模拟当连接结构受到平行于接触面的横向载荷时，将产生迟滞现象的情况，并且验证了实体模型的刚度曲线可以通过基于ansys的combination单元进行模拟，大大减少了自由度数量和网格数量的同时，保证了研究的可靠性与真实性。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明实施例提供的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法的流程示意图；
29.图2为本发明实施例提供的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法的combin40几何模型；
30.图3为本发明实施例提供的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法
的施加恒定载荷时的combin40单元刚度曲线；
31.图4为本发明实施例提供的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法的施加简谐载荷时的combin40单元刚度曲线；
32.图5为本发明实施例提供的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法的施加简谐载荷时的轴向位移曲线；
33.图6为本发明实施例提供的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法的施加简谐载荷的combin39单元刚度曲线；
34.图7为本发明实施例提供的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法的实体模型示意图；
35.图8为本发明实施例提供的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法的实体模型横向载荷转角载荷曲线；
36.图9为本发明实施例提供的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法的简化模型示意图；
37.图10为本发明实施例提供的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法的简化模型横向载荷转角载荷曲线。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
39.请参阅图1，一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法，包括：
40.s101基于ansys中的combin40单元模拟止口部分刚度，得到施加恒定载荷时的combin40单元刚度曲线和施加简谐载荷时的combin40单元刚度曲线。
41.在本实施例中，所述combin40是相互平行的弹簧滑动器和阻尼器的联合，并且串联着一个间隙控制器，此联合单元如图2所示；所述combin40模拟螺栓连接部分止口部分非线性迟滞特性，根据ansys中combin40单元的单元特征和几何特征，设置实常数使k1+k2并联刚度模拟止口产生滑移之前的刚度特征，而k2则表示止口产生滑移之后的刚度特征，施加载荷，模拟止口部分非线性刚度的迟滞特征；建立单个combin40单元固定一端，对另一端施加载荷，得到如图3所示的施加恒定载荷时的combin40单元刚度曲线和如图4所示的施加简谐载荷时的combin40单元刚度曲线。
42.s102基于ansys中的combin39单元模拟单向受拉刚度，得到施加简谐载荷时的轴向位移曲线和施加简谐载荷的combin39单元刚度曲线。
43.在本实施例中，基于ansys中的combin39单元，模拟螺栓连接部分安装边单向受拉特性，根据单元特性，设置实常数，和combin40单元不同的是，所述combin39单元的刚度不是用户手动输入的，而是程序自动根据f-d曲线求的；刚度k＝df/dd；f＝切应力(粘结面本构关系)*粘结面积；随着滑移的发展，刚度在不断退化；所述combin39单元通过设置实常数曲线设置正向刚度正常，反向刚度无限大，来模拟combin39单元可拉伸不可压缩的功能，施
加简谐载荷，模拟机匣安装边部分非线性刚度的迟滞特征。得到如图5所示施加简谐载荷时的轴向位移曲线和如图6所示施加简谐载荷的combin39单元刚度曲线。
44.s103基于ansys建立有限元实体参数化模型。
45.在本实施例中，基于ansys建立有限元实体参数化模型，图7所示为实体模型示意图；通过设置实际的螺栓连接接触特性，设置一端约束，一端施加横向简谐载荷为边界条件，提取出止口部分的滑移力以及刚度曲线。为之后的简化模型提供数据支持和对比参照，得到的如图8所示的实体模型横向载荷转角载荷曲线，由图8中可以看出实体模型螺栓连接结构的刚度曲线呈现出明显的非线性迟滞现象。
46.s104根据有限元实体参数化模型中提取出的止口部分滑移力，刚度系数参数建立等效的简化模型。
47.在本实施例中，如图9所示用两个钢化平面模拟法兰安装边，梁单元代替机匣筒，分别用弹簧39单元、弹簧40单元以及两个14单元来等效模拟一个螺栓连接结构。
48.s105对简化模型施加横向的简谐载荷，得到简化模型施加横向简谐载荷的转角载荷曲线。
49.在本实施例中，对所述简化模型进行相同的边界条件设置，施加横向的简谐载荷，模拟螺栓非线性的迟滞特性刚度，以加载点转角位移作为横坐标，施加的简谐载荷为纵坐标得到如图10所示的简化模型施加横向简谐载荷的转角载荷曲线。由图10可以看出曲线形状类似柳叶形，存在明显的迟滞特征，两个周期的曲线大部分发生重合。在初始加载阶段当载荷大约为600n*m左右时，法兰的弯曲刚度发生突变变小，这与实体模型中计算结果相一致。
50.s106对得到的数据进行分析并进行验证。
51.在本实施例中，通过对得到的数据进行分析可知，对于带有止口的螺栓的连接结构，当连接结构受到平行于接触面的横向载荷时，将产生迟滞现象，根据弯曲刚度的不同，整个曲线可以划分为若干近似线性阶段：其中第一阶段为初始加载阶段，转角随着载荷的增加线性增加，在阶段一、二交界处结构的弯曲刚度发生突变，突变前后都为线性；第二阶段末端法兰转角达到最大，进而在第三阶段载荷进入卸载过程，此时法兰的弯曲刚度与第一阶段相同；第四阶段为载荷继续卸载过程，第五阶段为反向加载过程，这两阶段弯曲刚度近似为线性，只有在转角为零附近发生少许波动；弯曲刚度与第二阶段大体上保持一致；第六阶段阶段与第三阶段阶段一样为卸载过程，整个曲线去除第一阶段后关于原点对称；整个曲线存在两种刚度，其中第一、三、六阶段为一种刚度，第二、四、五阶段近似具有相同的刚度；并且验证了实体模型的刚度曲线可以通过基于ansys的combination单元进行模拟，大大减少了自由度数量和网格数量的同时，保证了研究的可靠性与真实性。
52.本发明提供的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法的工作原理如下：基于ansys中的combin40单元模拟止口部分刚度，得到施加恒定载荷时的combin40单元刚度曲线和施加简谐载荷时的combin40单元刚度曲线；基于ansys中的combin39单元模拟单向受拉刚度，得到施加简谐载荷时的轴向位移曲线和施加简谐载荷的combin39单元刚度曲线；基于ansys建立有限元实体参数化模型；根据有限元实体参数化模型中提取出的止口部分滑移力，刚度系数参数建立等效的简化模型；对简化模型施加横向的简谐载荷，得到简化模型施加横向简谐载荷的转角载荷曲线；对得到的数据进行分析并进行验证。通过验
证证明了实体模型的刚度曲线可以通过基于ansys的combination单元进行模拟，大大减少了自由度数量和网格数量的同时，保证了研究的可靠性与真实性。
53.本发明实施例还提供一种存储介质，本发明实施例还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明提供的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法的各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(英文：read-onlymemory，简称：rom)或随机存储记忆体(英文：randomaccessmemory，简称：ram)等。
54.本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
技术特征：1.一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法，其特征在于，包括：基于ansys中的combin40单元模拟止口部分刚度，得到施加恒定载荷时的combin40单元刚度曲线和施加简谐载荷时的combin40单元刚度曲线；基于ansys中的combin39单元模拟单向受拉刚度，得到施加简谐载荷时的轴向位移曲线和施加简谐载荷的combin39单元刚度曲线；基于ansys建立有限元实体参数化模型；根据有限元实体参数化模型中提取出的止口部分滑移力，刚度系数参数建立等效的简化模型；对简化模型施加横向的简谐载荷，得到简化模型施加横向简谐载荷的转角载荷曲线；对得到的数据进行分析并进行验证。2.根据权利要求1所述的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法，其特征在于，基于ansys中的combin40单元模拟止口部分刚度，得到施加恒定载荷时的combin40单元刚度曲线和施加简谐载荷时的combin40单元刚度曲线，包括：所述combin40是相互平行的弹簧滑动器和阻尼器的联合，并且串联着一个间隙控制器；所述combin40模拟螺栓连接部分止口部分非线性迟滞特性，根据ansys中combin40单元的单元特征和几何特征，设置实常数使k1+k2并联刚度模拟止口产生滑移之前的刚度特征，而k2则表示止口产生滑移之后的刚度特征，施加载荷，模拟止口部分非线性刚度的迟滞特征；建立单个combin40单元固定一端，对另一端施加载荷，得到施加恒定载荷时的combin40单元刚度曲线和施加简谐载荷时的combin40单元刚度曲线。3.根据权利要求1所述的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法，其特征在于，基于ansys中的combin39单元模拟单向受拉刚度，得到施加简谐载荷时的轴向位移曲线和施加简谐载荷的combin39单元刚度曲线，包括：基于ansys中的combin39单元，模拟螺栓连接部分安装边单向受拉特性，根据单元特性，设置实常数，和combin40单元不同的是，所述combin39单元的刚度不是用户手动输入的，而是程序自动根据f-d曲线求的；刚度k＝df/dd；f＝切应力*粘结面积；随着滑移的发展，刚度在不断退化；所述combin39单元通过设置实常数曲线设置正向刚度正常，反向刚度无限大，来模拟combin39单元可拉伸不可压缩的功能，施加简谐载荷，模拟机匣安装边部分非线性刚度的迟滞特征。4.根据权利要求1所述的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法，其特征在于，基于ansys建立有限元实体参数化模型，包括：基于ansys建立有限元实体参数化模型，通过设置实际的螺栓连接接触特性，设置一端约束，一端施加横向简谐载荷为边界条件，提取出止口部分的滑移力以及刚度曲线；为之后的简化模型提供数据支持和对比参照，得到转角载荷曲线。5.根据权利要求1所述的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法，其特征在于，根据有限元实体参数化模型中提取出的止口部分滑移力，刚度系数参数建立等效的简化模型，包括：用两个钢化平面模拟法兰安装边，梁单元代替机匣筒，分别用弹簧39单元、弹簧40单元以及两个14单元来等效模拟一个螺栓连接结构。6.根据权利要求1所述的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法，其特
征在于，对简化模型施加横向的简谐载荷，得到简化模型施加横向简谐载荷的转角载荷曲线，包括：对所述简化模型进行相同的边界条件设置，施加横向的简谐载荷，模拟螺栓非线性的迟滞特性刚度，以加载点转角位移作为横坐标，施加的简谐载荷为纵坐标得到简化模型施加横向简谐载荷的转角载荷曲线。7.根据权利要求1所述的一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法，其特征在于，对得到的数据进行分析并进行验证，包括：通过对得到的数据进行分析可知，对于带有止口的螺栓的连接结构，当连接结构受到平行于接触面的横向载荷时，将产生迟滞现象，根据弯曲刚度的不同，整个曲线可以划分为若干近似线性阶段：其中第一阶段为初始加载阶段，转角随着载荷的增加线性增加，在阶段一、二交界处结构的弯曲刚度发生突变，突变前后都为线性；第二阶段末端法兰转角达到最大，进而在第三阶段载荷进入卸载过程，此时法兰的弯曲刚度与第一阶段相同；第四阶段为载荷继续卸载过程，第五阶段为反向加载过程，这两阶段弯曲刚度近似为线性，只有在转角为零附近发生少许波动；弯曲刚度与第二阶段大体上保持一致；第六阶段阶段与第三阶段阶段一样为卸载过程，整个曲线去除第一阶段后关于原点对称；整个曲线存在两种刚度，其中第一、三、六阶段为一种刚度，第二、四、五阶段近似具有相同的刚度；并且验证了实体模型的刚度曲线可以通过基于ansys的combination单元进行模拟。
技术总结本发明提供一种法兰螺栓连接结构非线性刚度简化数值模拟方法。本发明通过基于ANSYS中的COMBIN40单元模拟止口部分刚度；基于ANSYS中的COMBIN39单元模拟单向受拉刚度，得到施加简谐载荷时的轴向位移曲线和施加简谐载荷的COMBIN39单元刚度曲线；基于ANSYS建立有限元实体参数化模型；根据有限元实体参数化模型中提取出的止口部分滑移力，刚度系数参数建立等效的简化模型；对简化模型施加横向的简谐载荷，得到简化模型施加横向简谐载荷的转角载荷曲线；对得到的数据进行分析并进行验证。大大减少了自由度数量和网格数量的同时，保证了研究的可靠性与真实性。了研究的可靠性与真实性。了研究的可靠性与真实性。
技术研发人员：刘玉 赵迪文 艾延廷 王志 田晶
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：2022.06.13
技术公布日：2022/11/1
