CN105631061B - 一种复杂点式连接结构的动力学建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于结构建模技术领域，具体涉及一种复杂点式连接结构的动力学建模方法。包括如下步骤：确定结构的零部件以及连接面；完成对不同零部件的分组处理和简化；针对结构的零部件，进行动力学建模；针对每个零部件，完成模型的初步确认：针对点式连接面，对连接的前后面进行细化建模，确定点式连接个数；确定点式连接点的位置参数；根据点式连接结构的长度，建立相应的梁单元；分别将梁单元的前后端点与前后连接结构固定连接，分别约束6个自由度；调整连接梁单元的材料参数；对连接梁单元进行参数优化；进行点式连接的动力学建模，并验证该建模方法的有效性。本发明可以解决结构整体动力学特性分析过程中连接面建模的问题。

Description

一种复杂点式连接结构的动力学建模方法
技术领域
本发明属于结构建模技术领域，具体涉及一种复杂点式连接结构的动力学建模方法。
背景技术
机械产品为了满足各种功能需求，一般都不是整体成型，而是由非常多的部件通过连接面组成。如多级火箭有很多舱段连接而成。由于整机中包括了大量的连接面，所以除了结构尺寸和材料属性外，连接面对整机的动态特性影响很大，有调查表明机械结构中60％～80％的总动刚度、90％的总阻尼都来自连接面，连接面的动态特性研究是机械动力学从零部件分析走向整体分析所面临的重要技术问题之一。
在机械结构中，点式连接是常见的一种连接方式，如螺栓和螺钉连接。在结构整体建模中，点式连接面十分常见。在结构动力学分析中，点式连接结构的有限元分析属于难点问题。由于结构中存在大量的连接面，给建立整体有限元模型带来相当大的困难。长期以来人们从理论和实验上对此进行了大量的研究。点式连接面的动力学建模是研究连接面动力学特性的重要手段。以火箭为例，其动力学特性很大程度上取决于舱段连接面的动特性，进而决定控制系统是否能稳定控制。因此，点式连接面的动力学建模方法的研究，对于研究整体结构的动特性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂点式连接结构的动力学建模方法，以解决结构整体动力学特性分析过程中连接面建模的问题。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种复杂点式连接结构的动力学建模方法，包括如下步骤：
步骤1：根据整体结构形式，确定结构的零部件以及连接面；
步骤2：将结构模型导入有限元前处理软件中，完成对不同零部件的分组处理和简化；
步骤3：针对结构的零部件，根据提供的结构尺寸和材料属性，进行动力学建模，根据结构特点，采用不同的有限元单元，完成对结构零部件的动力学建模；
步骤4：针对每个零部件，完成模型的初步确认：确认结构的尺寸、材料参数，并进行初步分析，确定有限元模型的质量、质心、转动惯量参数与结构特性一致；
步骤5：针对点式连接面，对连接的前后面进行细化建模，确定点式连接个数；
步骤6：根据结构参数，确定点式连接点的位置参数；
步骤7：在步骤6中确定的连接点位置上，根据点式连接结构的长度，建立相应的梁单元；
步骤8：利用MPC多点约束，分别将梁单元的前后端点与前后连接结构固定连接，分别约束6个自由度；
步骤9：根据点式连接的材料属性，调整连接梁单元的材料参数；
步骤10：对连接梁单元进行参数优化，变量为弹性模量，关注的目标为整体结构的固有频率，当弹性模量接近某一值时，整体结构的固有频率已基本稳定，取此时的材料参数为点式连接面的建模参数；
步骤11：利用步骤10中确定的参数进行点式连接的动力学建模，并预示整体固有频率，并与结构的模态试验结果进行对比，验证该建模方法的有效性。
所述步骤2中结构模型为proe或catia结构模型。
所述步骤3中有限元单元包括梁单元、壳单元、实体单元。
所述步骤5中点式连接个数包括螺栓连接个数。
所述步骤9中材料参数包括弹性模量、泊松比以及密度。
所述步骤9中梁单元的弹性模量要低于其材料本身的弹性模量。
所述的梁单元的弹性模量为其材料本身弹性模量的1/10～1/20。
本发明所取得的有益效果为：
本发明是针对复杂结构连接面的点式连接方式，实现对该连接的动力学简化和建模，并准确预示该复杂结构的动力学特性。本发明能够有效的对点式连接结构进行简化，并适当的模拟连接刚度，准确预示结构的整体动特性，与试验结果一致，具有较好的实际应用价值。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明所述复杂点式连接结构的动力学建模方法包括如下步骤：
步骤1：根据整体结构形式，确定结构的零部件以及连接面；
步骤2：将proe或catia结构模型导入有限元前处理软件中，完成对不同零部件的分组处理和简化；
步骤3：针对结构的零部件，根据提供的结构尺寸和材料属性，进行动力学建模，根据结构特点，采用不同的有限元单元，如梁单元、壳单元、实体单元等，完成对结构零部件的动力学建模。
步骤4：针对每个零部件，完成模型的初步确认。确认结构的尺寸、材料参数，并进行初步分析，确定有限元模型的质量、质心、转动惯量等参数与结构特性一致；
步骤5：针对点式连接面，对连接的前后面进行细化建模，确定点式连接个数，如螺栓连接个数；
步骤6：根据结构参数，确定点式连接点的位置参数；
步骤7：在步骤6中确定的连接点位置上，根据点式连接结构的长度，如螺栓长度，建立相应的梁单元；
步骤8：利用MPC多点约束，分别将梁单元的前后端点与前后连接结构固定连接，分别约束6个自由度；
步骤9：根据点式连接的材料属性，调整连接梁单元的材料参数，包括弹性模量，泊松比以及密度。由于连接的存在，该梁单元的弹性模量要低于其材料本身的弹性模量，根据预紧力的不同，一般为材料本身弹性模量的1/10～1/20；
步骤10：对连接梁单元进行参数优化，变量为弹性模量，关注的目标为整体结构的固有频率，当弹性模量接近某一值时，整体结构的固有频率已基本稳定，取此时的材料参数为点式连接面的建模参数；
步骤11：利用步骤10中确定的参数进行点式连接的动力学建模，并预示整体固有频率，并与结构的模态试验结果进行对比，验证该建模方法的有效性。

Claims (7)

1.一种复杂点式连接结构的动力学建模方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：根据整体结构形式，确定结构的零部件以及连接面；
步骤2：将结构模型导入有限元前处理软件中，完成对不同零部件的分组处理和简化；
步骤3：针对结构的零部件，根据提供的结构尺寸和材料属性，进行动力学建模，根据结构特点，采用不同的有限元单元，完成对结构零部件的动力学建模；
步骤4：针对每个零部件，完成模型的初步确认：确认结构的尺寸、材料参数，并进行初步分析，确定有限元模型的质量、质心、转动惯量参数与结构特性一致；
步骤5：针对点式连接面，对连接的前后面进行细化建模，确定点式连接个数；
步骤6：根据结构参数，确定点式连接点的位置参数；
步骤7：在步骤6中确定的连接点位置上，根据点式连接结构的长度，建立相应的梁单元；
步骤8：利用MPC多点约束，分别将梁单元的前后端点与前后连接结构固定连接，分别约束6个自由度；
步骤9：根据点式连接的材料属性，调整连接梁单元的材料参数；
步骤10：对连接梁单元进行参数优化，变量为弹性模量，关注的目标为整体结构的固有频率，当弹性模量接近某一值时，整体结构的固有频率已基本稳定，取此时的材料参数为点式连接面的建模参数；
步骤11：利用步骤10中确定的参数进行点式连接的动力学建模，并预示整体固有频率，并与结构的模态试验结果进行对比，验证该建模方法的有效性。
2.根据权利要求1所述的一种复杂点式连接结构的动力学建模方法，其特征在于：所述步骤2中结构模型为proe或catia结构模型。
3.根据权利要求1所述的一种复杂点式连接结构的动力学建模方法，其特征在于：所述步骤3中有限元单元包括梁单元、壳单元、实体单元。
4.根据权利要求1所述的一种复杂点式连接结构的动力学建模方法，其特征在于：所述步骤5中点式连接个数包括螺栓连接个数。
5.根据权利要求1所述的一种复杂点式连接结构的动力学建模方法，其特征在于：所述步骤9中材料参数包括弹性模量、泊松比以及密度。
6.根据权利要求5所述的一种复杂点式连接结构的动力学建模方法，其特征在于：所述步骤9中梁单元的弹性模量要低于其材料本身的弹性模量。
7.根据权利要求6所述的一种复杂点式连接结构的动力学建模方法，其特征在于：所述的梁单元的弹性模量为其材料本身弹性模量的1/10～1/20。
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