1.一种利用虚拟材料等效栓接结合部动态特性的方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一、确定栓接结合部接触压应力:假设垂直栓接结合部方向上压应力均匀分布,大小随螺栓作用力的影响半径变化而变化,且压应力分布呈截头圆锥体,利用有限元法模拟栓接结合部在不同螺栓预紧力下,不同接触区域的受力情况,并将接触压力等效为关于接触半径的4阶多项式函数;
步骤二、确定栓接结合部虚拟材料的相关参数:建立栓接结合部等效虚拟材料模型,确定有效接触区域内接触半径与虚拟材料属性间的函数关系;虚拟材料属性包括弹性模量E、剪切模量G、泊松比υ、密度和虚拟层厚度;其中虚拟材料的弹性模量E、剪切模量G、泊松比υ均是关于螺栓作用力的影响半径的函数,而平均密度和虚拟材料厚度与接触半径无关,为确定值;
步骤三、有限元法确定整体结构的频率响应:根据虚拟材料模型和接触压力的变化曲线,将栓接结合部等效为二层、三层或者多层虚拟材料,利用子结构耦合法建立整体结构的有限元模型,并进行动态响应分析,获得栓接结合部整体结构的频响函数。
2.根据权利要求1所述的一种利用虚拟材料等效栓接结合部动态特性的方法,其特征在于,垂直栓接结合部方向上压应力大小随螺栓作用力的影响半径变化而变化,且压应力分布呈截头圆锥体,将栓接结合部接触压力Pn(r)等效为关于(r/a)的4阶多项式函数:式中,r表示螺栓作用力的影响半径,a表示螺栓孔半径,a0、a1、a2、a3和a4为4阶多项式函数的相关系数;
根据边界条件:
由于,螺栓接触载荷为:
式中,积分上限c表示接触区域的半径:
c=b+h tanα (4)其中,b表示连接件所受载荷半径,h表示连接件的厚度,α表示有效作用区域内的圆锥体半锥角;
由式(1)、(2)和(3)求出系数
式中,λ=c/a。
3.根据权利要求1所述的一种利用虚拟材料等效栓接结合部动态特性的方法,其特征在于,步骤二中,利用有限元法和材料力学知识建立栓接结合部等效虚拟材料模型,获得有效接触区域内接触半径与虚拟材料属性间的函数关系;
设虚拟材料厚度为l,名义接触面积为Aa,法向力Fn的作用下的变形量为Δl,则虚拟材料的应力为σ=F/Aa,应变ε=Δl/l;根据胡克定律σ=Eε (6)得
式中,kn表示虚拟材料的法向刚度
其中,αn和βn表示结合部法向特性参数,该属性通过试验测定;
将式(8)带入式(7)中,得虚拟材料的弹性模量为对于虚拟材料的泊松比根据Mindlin理论,得结合面法向刚度与切向刚度比为式中,υ表示虚拟材料的泊松比;kt表示虚拟材料的切向刚度其中,αt和βt表示结合部切向特性参数,该属性通过试验测定;
根据式(8)、(10)和(11)得虚拟材料的泊松比为虚拟材料的剪切模量为
由式(9)、(12)和(13)求出虚拟材料的剪切模量;
虚拟材料的平均密度为
式中,m1和m2分别表示上下试件微凸体的质量,ρ1和ρ2分别表示上下试件微凸体的密度,l1和l2分别表示上下试件微凸体的厚度;
l=1mm,l1≈l2=0.5mm,式(14)转化为: