振 动 与 冲 击
第 33卷第 2期 JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK Vol.33No.22014
收稿日期:2012-12-04 修改稿收到日期:2013-03-17
第一作者 陈长盛 男,硕士生,1988年生
螺栓连接对结构模态及传递特性影响研究
陈长盛,王 强,柳瑞锋,李国平,周 璞
(中船重工 第七四研究所,上海 200031)
摘 要:
针对螺栓刚度及预紧力对装配体模态、传递函数影响较大而在设备装配中因处理困难常被忽略问题,利
用有限元计算、试验结合对比方法分析、研究。用 ANSYS软件预应力模态分析及谐响应分析对装配体进行仿真计算;对
三种刚度螺栓分别施加相同预紧力,对钢制螺栓施加六组不同预紧力进行试验;分析对比计算值与试验值误差。结果表
明,忽略接触阻尼的计算值与试验值存在最大误差约 15%;同一预紧力时,随螺栓刚度的提高固有频率呈增大趋势,各阶
频率的最大变形量随之增大;随预紧力的增大,结构传递函数趋于明朗化。
关键词:螺栓刚度;预紧力;模态;传递特性;误差分析
中图分类号:TH131.3 文献标识码:A
Effectofboltconnectiononstructuralvibrationmodesandtransfercharacteristics
CHENChangsheng,WANGQiang,LIURuifeng,LIGuoping,ZHOUPu
(No.704ResearchInstituteofCSIC,Shanghai200031,China)
Abstract: Boltstiffnessandpretighteningforcehavegreatimpactonstructuralvibrationmodesandtransfer
functions,whichisoftenignoredinactualassemblingbecauseofthedifficultyintreatment.Bycomparingthefinite
elementcalculationdataandtestdataofthreekindsofboltswithdifferentstiffnessunderdifferentpretighteningforce
,the
changesofstructuremodesandtransferfunctionwereanalyzed.ByusingtheANSYSsoftware,thevibrationmodesand
harmonicresponsesunderprestressedconditionwereinvestigated.Thenthetestsreguardingthreekindsofboltswith
differentstiffnessunderthesamepretighteningforcewerecarriedout,andastothesteelboltthetestswereperformed
undersixgroupsofpretighteningforces.Finally,thedifferencesbetweenthecalculationdataandthetestdatawere
studied.Theresultsshowthatthecalculationresultsdifferabout15% fromthetestdataduetotheignoranceofcontact
damping.Underthesamepretighteningforce
,naturalfrequenciesincreasewiththeincreaseoftheboltstiffness,andthe
maximumdistortionalsoincreases.Thetransferfunctionwillbeeasiertobeclearlyexpressedasthepretighteningforce
increases.
Keywords:boltstiffness;pretighteningforce;modal;transfercharacteristics;erroranalysis
工程机械中诸多零部件间均采用螺栓连接。对整
体结构进行模态仿真及动力学分析时,由于处理较复
杂,常将连接螺栓忽略,默认各零部件间为刚性连接,
故不能正确反映各零部件装配时的连接刚度及阻尼,
动力学特性计算结果与实际情况相差较大
[1]
;螺栓预
紧力不同时,整体结构模态频率差异较大,导致分析结
果误差较大
[2]
。原因为:
①
忽略法兰连接的法向接触
刚度,计算时可通过对法向刚度因子优化进行修正
[3]
,
将接触面 法向刚 度 因子设 为 变化参 数,优 化目标 函
数为:
min
∑
S
i=1
W
i
w
a
i
w
e
i
-
( )
1
2
(1)
式中:w
a
i
为有限元计算并优化后所得各阶固有频率;w
e
i
为试验所得固有频率;W
i
为平衡因子,在 0~1间取值。
②
忽略螺栓本身刚度影响,由于螺栓本身刚度及预紧
力对结构模态与传递特性影响较大,计算时不容忽视。
为此,本文重点对螺栓刚度、预紧力进行研究,分析其
对结构模态与传递特性影响,并通过计算结果与试验
对比分析计算误差原因。
对整体结构中有多个零部件均用螺栓连接的计算
分析,需耗费较多计算机资源。文献[4]分析过简化计
算方法。本文所选模型较简单,其螺栓分布均匀,未考
虑螺栓位置疏散程度对连接刚度的影响
[5]
。以某型轴
流泵壳及吸入室为结构原型,材料均为结构钢,见图 1。