基于螺栓连接刚度的动力学模型修正

• 作 者: 徐颖康
• 出 处: 北京工业大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 结构优化 模型修正 螺栓连接结构 模态分析 螺栓连接刚度

在实际工程中,螺栓连接结构具有简单、可靠、易于拆装等优点而被广泛应用。螺栓连接刚度介于铰接和刚接之间,但工程上通常直接处理为铰接或刚接。为了提高螺栓连接结构数值仿真的精度,真实反映螺栓连接结构的动态特性,需要根据实验数据确定螺栓连接的真实刚度。采用弹簧模拟栓接的半刚度状态,以弹簧刚度为设计变量、以栓接结构整体性能(固有频率、振型或位移)的仿真数据与相应测试数据的误差最小为目标或约束建立优化模型,对栓接结构进行模型修正。由于缺乏实验数据,用指定螺栓连接刚度模型的仿真结果代替实验数据,用不同的螺栓连接刚度的模型作为初始模型,对螺栓连接结构的模型修正方法进行研究。在MSC.Patran&Nastran软件平台上,利用Python语言二次开发了螺栓连接结构的模型修正程序。主要研究内容如下:螺栓连接结构的仿真误差主要来源于螺栓连接刚度的误差,通过模型修正可以获得螺栓连接结构的真实连接刚度,从而提高螺栓连接结构的仿真精度。用六自由度弹簧模拟螺栓连接建立螺栓连接结构的仿真模型,以弹簧连接刚度为设计变量,以数值仿真结果与实验测试结果的残差最小为目标或约束,建立模型修正的优化模型。螺栓连接结构的动力特性主要体现在固有频率(特征值)和振型(特征向量),为了提高模型修正的效率和精度,分别建立了三个模型修正的优化模型。1)以弹簧连接刚度为设计变量,以特征向量的数值仿真结果与实验测试结果的残差最小为目标,以特征值的数值仿真结果与实验测试结果的残差为约束,建立振型目标优化模型。2)以弹簧连接刚度为设计变量,以特征值的数值仿真结果与实验测试结果的残差最小为目标,以特征向量的数值仿真结果与实验测试结果的残差为约束,建立固有频率目标优化模型。3)以弹簧连接刚度为设计变量,以特征值和特征向量的数值仿真结果与相应的实验测试结果残差的加权和最小为目标,建立无约束的综合目标优化模型。通过数值算例对修正结果进行对比分析,分析三个模型的优缺点和适用范围,并得出结论。基于三个模型修正的优化模型,以MSC.Nastran软件为求解器,采用Python语言开发了螺栓连接结构的模型修正程序,根据螺栓连接结构的特点选择优化模型。数值算例表明模型修正优化模型的有效性和程序的可靠性。