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航天器结构中螺栓法兰连接的动力学建模方法研究

栾宇  
【摘要】:螺栓法兰连接具有可操作性好、构造简单等优点,广泛应用于火箭、核主泵等工业结构中。但是,连接面的多重非线性特性使得该连接形式的静、动力学特性较为复杂,不易于分析。为了建立火箭等含有螺栓法兰连接的结构整体动力学模型,本文分别对火箭舱段结构的动力学建模方法、螺栓法兰连接结构的静力刚度特性和动力学响应进行了研究,在此基础上提出了螺栓法兰连接的简化动力学模型,并将该模型应用到某火箭结构的整体动力学建模与分析中。 本文主要研究内容为: 1.对经典梁理论和Timoshenko梁理论进行比较研究,提出基于Timoshenko梁理论的火箭舱段结构动力学简化建模方法,并给出基于静力响应的等效刚度及截面参数的计算过程;将该方法应用于火箭舱段设计中常用的蒙皮桁条结构,验证了该建模方法可更准确的描述结构的静、动力学特性。 2.对螺栓法兰连接的静力刚度非线性特性进行理论分析与实验研究,提出等效弹簧一弯曲梁解析模型,阐述了螺栓法兰连接结构在轴向方向具有明显的拉压不同刚度特性;讨论了预紧力等设计参数对连接刚度的影响;发现连接结构在横向荷载作用下产生了轴向变形,并对该现象的机理进行了解释。 3.将螺栓法兰连接结构抽象为两自由度的质量一双线性弹簧系统,提出连接结构的动力学机理模型;采用区域法对机理模型进行了分区解析求解,开发了自适应递归半解析算法对机理模型的冲击响应进行计算;研究发现,螺栓法兰连接结构在横向冲击的作用下会产生横纵耦合振动,并证明在考虑拉压不同刚度的条件下计算所得内力响应会高于传统方法所获得的内力响应;推导出螺栓法兰连接轴向冲击响应的解析解答。 4.提出了螺栓法兰连接结构的拉压不同刚度简化动力学模型,将连接面的接触非线性转化为双线性弹簧的材料非线性;设计并实施动力学冲击试验,验证提出的简化动力学模型对结构的动力响应特性反映更为准确,并在现象上验证了动力学机理模型的理论预测。 5.应用螺栓法兰连接的拉压刚度不同简化动力学模型,结合工程梁模型,对某火箭结构的关键连接面进行重新建模,将连接刚度非线性纳入到火箭结构的整体动力学分析中;应用实测动力外载数据,对该火箭发射过程进行了整体动力学计算;首次预测出横向荷载作用下关键对接面出现较大轴向荷载,揭示了实测动力响应数据中较大轴向过载的来源;通过对提取的截面荷载进行连接部段的静力学计算,验证了本文的提出的简化动力学建模方法更为安全可靠。


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