本文選題：復雜結構　切入點：數(shù)值分析　出處：《中國工程物理研究院》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：本文針對武器裝藥結構、航空航天結構等含螺栓連接復雜結構在撞擊、跌落等載荷環(huán)境下的沖擊響應與破壞問題,開展了數(shù)值建模、擴展有限元應用和實驗技術研究,提出了螺栓連接結構的精細有限元建模技術及復雜結構沖擊破壞的數(shù)值模擬技術。在此基礎上,開展了某典型裝藥結構跌落條件下的沖擊響應及破壞效應研究,研究方法和技術途徑的合理性,保證了可靠的結構應力響應及破壞規(guī)律的獲得。本文的研究,可為含螺栓連接復雜結構沖擊響應與破壞研究提供數(shù)值手段和重要參考。針對含螺栓連接復雜結構沖擊動力學響應研究的重要問題之一—高精度幾何數(shù)值模型,開展了螺栓連接結構沖擊響應的精細有限元建模技術研究�；谟邢拊疤幚碥浖⺁atran的基本建模技術,提出了考慮螺紋連接幾何特征的雙導線建模方法,與已有的建模技術相比,該方法具有無需在螺桿上人為設置小孔或建立復雜的截面數(shù)學模型等優(yōu)點,方法簡單易于實施,能獲得合理規(guī)整的有限元網(wǎng)格；采用對稱罰函數(shù)方法處理螺紋的連接接觸,應用指數(shù)型接觸壓力-過盈關系并結合數(shù)值試驗確定相關接觸參數(shù),解決了螺紋連接類齒合性接觸的計算收斂問題；采用直接在螺母一組相對的側面上施加分布預緊力的方法模擬預緊力載荷的加載,與傳統(tǒng)預緊力施加方法相比,本方法不僅簡單易于實施,而且更與實際的預緊力施加方式相符合；針對含螺栓連接結構預緊力載荷與結構沖擊載荷的靜、動耦合問題,提出了結構的靜動耦合計算方法。在精細有限元建模的基礎上,開展了螺栓連接結構靜力響應和沖擊響應的數(shù)值模擬研究。首先設計了簡單的口型螺栓連接結構,開展了預緊力矩為10N.m～70N.m七種工況下的靜力響應數(shù)值模擬,以及小球3m和5.5m高度跌落撞擊螺栓連接結構的沖擊響應數(shù)值模擬,獲得了螺牙及螺栓中的應力分布；與此同時,開展了相同加載條件下的實驗研究。結果表明,在靜力響應研究中,計算結果與試驗結果的最小相對誤差為0.5%,最大相對誤差為4.8%。小球3m跌落撞擊時,螺桿中部單元應力時程曲線,計算值與實驗值相比,二者波形基本一致,幅值的最大相對誤差為16.18%,脈寬的最大相對誤差為16.36%。小球5.5m跌落撞擊時,二者波形也基本一致,幅值的最大相對誤差為19.79%,脈寬的最大相對誤差為8.46%。由此可知,數(shù)值計算結果與實驗結果吻合較好。針對含螺栓連接復雜結構沖擊響應研究的另一重要問題—結構沖擊破壞問題,開展了結構沖擊破壞的擴展有限元建模技術研究�；陴ぞ哿鸭y模型,應用擴展有限元及虛擬節(jié)點方法,結合有限元軟件所具備的擴展有限元功能,研究并提出了結構沖擊破壞響應的擴展有限元建模技術及實施方法。在此基礎上,開展了含螺栓連接結構準靜態(tài)拉伸斷裂過程的數(shù)值模擬,獲得了與實驗相一致的破壞圖像,實現(xiàn)了對初始無初始缺陷結構的裂紋起裂及破壞過程的數(shù)值模擬。此外,設計了三點彎曲實驗,開展了不同子彈撞擊速度下三點彎曲實驗研究,獲得了實驗件的沖擊破壞圖像。并對子彈打擊速度分別為12.2m/s、15.1m/s和26.3m/s時結構的沖擊破壞進行了數(shù)值模擬研究,再現(xiàn)了結構的沖擊破壞過程,分析了結構的沖擊破壞規(guī)律,模擬結果與實驗數(shù)據(jù)基本一致,實現(xiàn)了對含初始裂紋結構沖擊破壞過程的數(shù)值模擬。最后,針對某典型含螺栓連接復雜結構,開展了跌落條件下沖擊響應及破壞過程的數(shù)值模擬研究,計算獲得了結構的沖擊響應規(guī)律,以及與試驗相接近的沖擊破壞模式,表明本文的方法可實現(xiàn)對含螺栓連接復雜結構沖擊響應及沖擊破壞過程的研究。本文研究結果表明,通過建立螺栓連接結構的精細有限元模型,并采用擴展有限元方法模擬沖擊載荷下結構的沖擊破壞,能夠?qū)崿F(xiàn)對含螺栓連接復雜結構沖擊響應的數(shù)值分析,并獲得合理的結果。
[Abstract]:The weapons charge structure, aerospace structure with bolt connection structure in the complex impact load drop impact response and failure problems, to carry out the numerical modeling, the extended finite element application and experimental technology research, put forward the numerical simulation technology of impact damage finite element modeling technology of bolt connection structure and complex structure. On this basis, to carry out research and destructive effects of a typical charge structure condition of drop impact response, the rationality of research methods and technical means, which can get the stress response and failure law of reliable structure. This study can provide response and numerical methods and important reference for research on failure with bolt with complex structure impact. For complex structures containing bolts one of important problems in the study of the impact dynamic response of the high precision geometric numerical model is carried out. Study on the fine finite element modeling of shock response. Bolt connection structure of the basic modeling technology of finite element pre-processing software Patran based on the proposed modeling method of double wire connection geometry with thread, compared with the existing modeling techniques, this method has no advantage on the screw holes or the establishment of artificial section complex mathematical model so, the method is simple and easy to implement, the finite element mesh to obtain the reasonable regular contact; connected by symmetric penalty function method to deal with the thread, application of exponential contact pressure - interference relationship and numerical test to determine the relevant contact parameters, solve the convergence problem of threaded connection type tooth contact; the method applied directly the distribution of pre tightening force in a nut group on an opposite side of the simulation preload load, compared with the traditional preload method, this method is not only simple Easy to implement, and more with the actual preload applied to conform with bolt connection structure; preload load and impact load of static structure, dynamic coupling problem, put forward the calculation method of static and dynamic coupling structure. Based on finite element modeling, numerical simulation research was carried out a bolt connection structure the static response and impulse response. The first design of simple die bolt connection structure, the tightening torque for the numerical simulation of static 70N.m seven under the conditions of 10N.m and 3M in response to the ball and 5.5m height drop impact bolt connecting structure of the shock response of numerical simulation, the stress distribution of the thread and the bolt is obtained; at the same time, the experiment study is carried out under the same loading condition. The results showed that in the study of the static response, the minimum relative error of calculation results and test results is 0.5%, the maximum relative error of 4.8%. 3M ball screw unit drop impact, the central stress time curves, calculated values are compared with experimental values, the two are basically the same waveform, the maximum relative error of amplitude is 16.18%, the maximum relative error of pulse width is 16.36%. 5.5m ball drop impact, the two waveforms are basically the same, the maximum relative error of amplitude is 19.79%. The maximum relative error of pulse width is 8.46%. which shows that the numerical results are in good agreement with the experimental results. The bolt response containing another important problem of the structural impact damage problem of complex structures impact connection, carry out structural impact damage extended finite element modeling technology. Research on cohesive crack model based on extended finite element method and virtual node method, extended finite element method combined with finite element software with the extended finite element modeling technology research and puts forward the structure and implementation method of the impact damage response. On this basis, to carry out the numerical simulation of bolt connection structure containing quasi-static tensile fracture process, destruction of the image is consistent with the experimental obtained and achieved initial crack defect free structure on the initial crack and failure process of numerical simulation. In addition, the design of the three point bending test, the different impact velocities of bullets experimental study on three point bending experiments, obtained the impact damage image. And the velocity of the projectile were 12.2m/s, 15.1m/s and 26.3m/s structure impact damage were studied by numerical simulation, the structure of the reproduction impact failure process, analyzed the impact of structural failure law, simulation results agree with the experimental data, implementation the numerical simulation of failure process of structures with initial cracks impact. Finally, a typical bolt containing complex structure, carry out the condition of drop impact response and failure process Research on numerical simulation, obtained the impact of structural response, and close to test the impact of failure mode, show that this method can realize the study on failure process of complex structure including bolts impact response and impact connection. The results of this study indicate that the finite element model is built of bolt connection structure, and simulated the impact of failure impact load structure of the extended finite element method can realize the numerical analysis of complex structure with bolt connection of shock response, and get a reasonable result.

【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH131.3

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 葉蓓華,馮千妹;應用P圖控制汽車螺栓裝配質(zhì)量[J];汽車技術;2000年06期

2 江書先;螺栓連接的規(guī)范操作[J];農(nóng)村電工;2005年08期

3 陳學前;杜強;馮加權;;動載荷下螺栓連接的優(yōu)化設計[J];力學與實踐;2005年06期

4 楊光;;沖擊載荷作用下螺栓連接的計算[J];河南機電高等專科學校學報;2007年05期

5 朱愛珠;郭耀杰;程超;胡小龍;;螺栓連接變電構架柱結構分析[J];重慶建筑大學學報;2008年01期

6 劉春孝;王海燕;;無限壽命螺栓疲勞失效的實驗研究[J];河南廣播電視大學學報;2008年03期

7 劉春孝;王海燕;袁付榮;;無限壽命螺栓疲勞失效的試驗研究[J];煤炭科學技術;2008年07期

8 徐超;周幫友;劉信恩;張鐸;;機械螺栓連接狀態(tài)監(jiān)測和辨識方法研究進展[J];強度與環(huán)境;2009年02期

9 孔麗;李紅亮;戴宇進;王燕銘;;固體導彈螺栓連接的可靠性研究[J];機械制造;2010年11期

10 鄭大周;王兵;莫爾兵;;風機螺栓的安全設計探討[J];東方汽輪機;2011年03期

相關會議論文 前10條

1 劉中珩;;高強度摩擦螺栓連接實驗研究[A];中國機械工程學會物料搬運學會第二屆年會論文集（三）--金屬結構[C];1984年

2 萬強;肖世富;張方舉;何鵬;;螺栓連接結構沖擊實驗不確定性分析[A];第十二屆全國實驗力學學術會議論文摘要集[C];2009年

3 陳忠富;張方舉;;螺栓連接結構的實驗研究[A];第十二屆全國實驗力學學術會議論文摘要集[C];2009年

4 白明遠;劉新靈;何玉懷;;鈦合金螺栓斷裂原因分析[A];北京力學會第17屆學術年會論文集[C];2011年

5 李士濤;;螺栓擰緊技術及其應用[A];豪爵摩托獎廣東省汽車行業(yè)第五期學術活動論文匯編[C];2008年

6 龔愉;趙麗濱;;復合材料螺栓連接強度的數(shù)值模擬[A];北京力學會第18屆學術年會論文集[C];2012年

7 劉益華;張錚;;螺栓連接件的優(yōu)化分析[A];北京力學會第18屆學術年會論文集[C];2012年

8 劉信恩;馮加權;杜強;;螺栓連接懸臂梁動力學模型確認研究[A];四川省力學學會2008年學術大會論文集[C];2008年

9 尹益輝;余紹蓉;;軸向載荷下螺栓連接結構變形和應力的三維有限元分析[A];中國工程物理研究院科技年報（2005）[C];2005年

10 萬強;張方舉;何鵬;許艾民;王薇;吳慶海;;螺栓連接結構瞬態(tài)沖擊動力學模型驗證實驗[A];第六屆全國爆炸力學實驗技術學術會議論文集[C];2010年

相關重要報紙文章 前1條

1 特約記者 田銀海;膠錨螺栓新工藝在高結構工程中應用首獲成功[N];北京科技報;2000年

相關博士學位論文 前5條

1 郭歷倫;含螺栓連接復雜結構的沖擊響應與破壞研究[D];中國工程物理研究院;2015年

2 秦文科;鋼管輸電塔法蘭聯(lián)結節(jié)點螺栓脫落損傷診斷的研究[D];武漢理工大學;2008年

3 周松;復合材料螺栓連接漸進損傷的實驗及數(shù)值分析[D];哈爾濱工程大學;2013年

4 李賢;端板螺栓連接鋼—混凝土組合節(jié)點的抗震性能研究[D];湖南大學;2009年

5 朱躍;基于分層思想的復雜機械結構模型修正及確認技術研究[D];南京航空航天大學;2010年

相關碩士學位論文 前10條

1 周曉強;木結構螺栓連接承載性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

2 趙丹;螺栓連接對轉(zhuǎn)子動力特性影響的研究[D];沈陽航空航天大學;2013年

3 王志強;復合材料層壓板螺栓連接性能分析[D];哈爾濱工程大學;2010年

4 薛義;某壓縮機螺栓連接斷裂失效分析[D];華東理工大學;2015年

5 秦志文;復合材料加筋板螺栓連接結構的試驗研究與有限元模擬[D];武漢理工大學;2008年

6 王中霆;典型開孔結構及其螺栓連接結構力學性能分析[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

7 張志遠;基于彈性接觸分析的車架螺栓連接結構分析方法研究[D];吉林大學;2011年

8 陸益鋒;在役電機螺栓超聲檢測技術研究[D];華東理工大學;2012年

9 馬奔奔;航空發(fā)動機薄壁機匣螺栓連接分析[D];大連理工大學;2014年

10 林鵬程;復合材料螺栓單釘連接性能實驗研究[D];哈爾濱工程大學;2012年

，

本文編號：1610436