铝蜂窝板的非线性建模和识别与多个螺栓

文摘

本文着重于非线性动力学建模和参数辨识的铝蜂窝板与多个螺栓接合(AHP)。有限元法使用eight-node固体元素是利用模型的面板和螺栓连接界面均匀,各向同性板和薄层的非线性弹塑性材料,分别。薄层的材料特性是由一个双线性弹塑性模型,它可以描述能量耗散和软化现象在非线性状态下的螺栓接合。实验测试在低和高激励水平揭示执行螺栓结构的动态特性。特别是线性面板的材料参数识别通过实验测试激励的水平较低,而薄层的非线性材料参数用遗传算法更新最小化之间的残余误差测量和仿真数据在一个较高的激励水平。这是演示了通过比较更新的频率响应有限元方法和实验系统,双线性弹塑性材料的薄层非常有效的建模的非线性联合接口与多个螺栓组装结构。

1。介绍

在航空和航天领域,吸引了更多的关注由子结构或部分的机械结构组装连接到彼此通过不同类型的连接(1- - - - - -5]。如果机械的影响关节动力学模型中被忽视的机械结构,可能存在一个重要的理论和实验结果之间的误差,特别是在某些情况下有大的励磁或运动水平(6]。主要原因是大多数的结构连接可能会导致刚度和阻尼的变化。然而,由于复杂的动力学特征的装配结构,这些结构的数理模型,它是困难和挑战。关节的一个精确的模型是成功的关键装配结构的动态分析。许多研究人员都集中在如何解决这样的问题使用的理论或实验方法(7- - - - - -10]。例如,Kuether和艾伦提出了两个模型子结构化技术来描述一个组装结构的非线性动态行为(11]。Hammami et al。12)提出了一个详细审查的阻尼设计连接结构。Segalman [13]调查lap-type关节的四个参数模型来捕获的耗散行为谐波加载实验。Bograd et al。14)概述了各种接头的类型,特点,和模型用于模拟以及一个广泛的信息与这个话题相关的最新文献。Jalali et al。15]研究了弱非线性系统的多自由度描述函数反演。Morelli [16结构)开发了一种新的方法来确定传递函数模型的噪声数据。Marinone et al。17)提出了一个模型修改响应技术计算非线性系统的时间响应。彼得et al。18)提出了一个集成的线性以及非线性系统参数估计方法的结构根据其非线性正常模式(NNMs)并进行谐波平衡方法(HBM)数值计算NNMs。

之间的机械连接,螺栓接合频繁应用于机械结构组装。许多研究人员关注在发展预测模型在不同结构螺栓接合。例如,歌曲等。19伊万)开发了一个调整模型的方法来模拟螺栓接合梁结构的非线性动态行为。Jalali et al。20.)提出了一个非线性模型具有一个自由度,以描述螺栓接合控制方程的两束光之间的接口。Ahmadian和Jalali4)用非线性弹簧代表联合接口的软化现象的联合建模的中期Euler-Bernoulli梁的跨度。李等人。21)提出了一个识别方法在悬臂梁的钢螺栓接合。杨et al。22]导出的参数识别方程,确定了联合组装光束通过子结构综合法。烹调的菜肴等。23)提出了一个简化的非线性动态模型,其中螺栓接头的力学性能在法兰组装结构被双线性弹簧模拟。Mayer和高卢人24]研究了建模的非线性刚度和阻尼机制有节的成员之间的组合结构和显示比较两个不同segment-to-segment接触元素,也就是所谓的tl和零厚度的元素。

指出,先前的研究主要集中在几个梁组成的组装结构,管道或其他简单的部分通过少量的连接螺栓。有限元模型(《)开发描述装配结构的动态现象,把每个连接接口的薄层非线性弹塑性材料(25- - - - - -27]。它已经证明了非线性材料的薄层有效描述非线性是由于螺栓连接。Alamdari et al。26)利用薄层固体元素模型联合两个管道之间的接口。Iranzad和Ahmadian27)采用薄层界面虚拟弹塑性材料模型来模拟螺栓接合的梁的非线性影响。

要注意,不太重视模型与多个螺栓连接板结构虽然大部分文献集中在固定梁和钢管的建模。这项工作的目的是研究非线性动力学建模和参数辨识的AHP与多个螺栓接合。为了这个目的,一层薄薄的非线性弹塑性材料是用于描述的非线性特征螺栓连接接口。线性材料参数面板的必然是通过实验确定测试激励的水平较低,而薄层的非线性材料参数用遗传算法来更新最小化之间的残余误差测量和仿真数据在一个较高的激励水平。最后,该方案的效果是通过有限元方法和实验结果的比较证明了另一个令人兴奋的水平之下。

2。非线性动力学建模

如图1,本研究涉及组装结构组成的AHP和安装基座通过多个螺栓连接到对方。AHP的长度为1000毫米,宽度1000毫米,厚度为30毫米。层次分析法的体积和重量是0.03米³和5.80公斤。AHP是固定在底部用26个螺栓两边的螺栓(13)。螺栓的预紧力矩将约2海里。

螺栓接合的非线性特征,如微/ macroslip,可能产生重大影响的动力学行为组装结构。因此,它的实际意义精确模型的非线性特征螺栓接合界面。的运动方程和谐波激励下多自由度非线性系统可以表示如下(28]: 在哪里和是位移和速度的向量,代表了非线性内力位移和速度的函数,的振幅矢量激励力量,是激励频率,,,表示质量、阻尼和刚度矩阵,分别。

完全不同于线性系统的情况下,众所周知,这种非线性系统的频率响应取决于激发力量的水平由于非线性内力的存在。在这项研究中,采用有限元法模型的组装结构连接接口与多个螺栓被视为一层薄薄的双线性弹塑性材料,螺栓接合的非线性行为的特点。图2显示了一个示意图连接结构的薄层(AHP)结构B(安装基座)。

薄层的厚度远小于其他两个方向的几何尺寸。后(24),以下假设被认为薄层的本构关系模型。的厚度薄层元素约等于零;因此,薄层元素的正常接触行为与切向分离行为。以线性材料的情况下,为例。薄层元素的本构关系可以写成(24] 在哪里,,代表了正常和当地联系- - -分别切向方向;和代表的法向应力和应变分量接口;和代表了切向应力;和和代表了切向应变。对于线性材料,表示杨氏模量是剪切模量,它可以描述的正常和切向刚度薄层元素。

的非线性材料本构关系有一个更复杂的形式。在这项研究中,一个双线性弹塑性模型的假设下各向同性硬化·冯·米塞斯屈服准则是用来描述一个薄层元素的应力-应变关系(29日]。弹塑性行为的各向同性硬化是使用三个参数来描述的,也就是说,杨氏模量,屈服点和硬化模量。图3显示了一维单轴情况下的双线性应力-应变行为(30.),最初的材料变形与杨氏模量其斜率,直到压力达到了单轴屈服应力的行为,然后通过使用硬化模量材料可以被描述。

如图3,,,表示杨氏模量、屈服应力和硬化模量,分别。一维单轴的情况下,本构方程可以写成 在哪里是压力和是压力。

AHP与多个螺栓的有限元法是在创建的MSC / NASTRAN软件(29日]。图4显示了结构的有限元分析。采用创建AHP Eight-node固体元素。模型的材料被认为是各向同性和描述使用三个材料参数,即杨氏模量、泊松比、剪切模量。薄层的弹塑性材料特性可以通过使用MAT1和定义MAST1卡片的NASTRAN。薄层的厚度选择通过考虑以下无量纲参数: 在哪里和薄层元素的长度和宽度,是薄层的厚度元素。为了便于数值计算,建议由[31日)选择。在这个工作中,薄层的厚度选择这样。

3所示。模式识别

组装结构的有限元法,层次分析法是视为一个线性板均匀、各向同性材料。板的质量密度决定使用AHP的体积和重量。等效杨氏模量和泊松比将猜测值,然后在使用SOL200程序NASTRAN软件更新之间的误差最小化的第一个高阶固有频率有限元法和实际结构。因此,目标函数可以表示如下: 在哪里和数值和实验获得了吗阶自然频率和是权重系数。值得注意的是应用激动人心的力量的位置和大小是相同的与实验测试。

此外,薄层的非线性材料参数,即杨氏模量,屈服点和硬化模量更新,通过最小化响应之间的误差基于有限元法的数值模拟和实验测试。的动态响应有限元与谐波激励了在时域采用NASTRAN的非线性瞬态模块,然后转入频域使用MATLAB编程环境。三个薄层材料参数选为设计变量,然后更新最小化目标函数如下: 在哪里和数值和实验反应和吗是选择的频率点的数量。换句话说,目标函数(6)是一个测量的数值和实验的区别在频域响应。非线性优化问题可以扮演发现以最小化目标函数受到可能的不等式和等式约束: 这里值得注意的是,参数更新的薄层材料的非线性性质和使用在NASTRAN off-the-shell模块无法解决。因此,使用MATLAB的遗传算法优化器优化通过NASTRAN的实时数据交换任务。图5描述的主要过程优化的任务:一个输入文件(panel.bdf)模型信息生成使用预处理建模软件,然后NASTRAN称为输入文件的一系列非线性瞬态分析的结构与不同频率受激动人心的力量;利用NASTRAN和实验测试获得的动态反应转化为频域通过快速傅里叶变换的应用方法;MATLAB的遗传算法优化器的频率响应数据的瞬时计算目标函数和设计变量的约束和更新,也就是说,,,,以减少约束违反或提高性能指标指定优化准则,直到满意。

4所示。实验研究

的动态特性进行了实验测试研究AHP与多个螺栓。测试系统设置主要由电磁振动励磁机(从TIRA GmbH是一家S 51075 - m),一个功率放大器(B&K2718 Bruel & Kjær),和振动测试控制器从水晶乐器(蜘蛛- 81),如图6。输入的力和动态响应的系统使用一个测力传感器测量(208二氧化碳从PCB Piezotronics)和四个加速度传感器从PCB Piezotronics b52(333),分别如图6和7。

两个不同的阶段进行了实验测试。在第一部分中,通过使用随机激励(RMS AHP很兴奋)和正弦力(分别为0.5 N)。蜘蛛的激发时间设置10分钟- 81软件系统。图8描述了频率响应函数的数据(降维)获得了在传感器位置使用水晶的工程数据管理(EDM)软件工具。实验结果获得使用随机和正弦荷载在小级别是几乎相同的自组装结构行为的线性小受激能级。此外,表1给前三个组装结构的固有频率使用线性测试获得的。第一组测试执行的AHP的线性识别参数,在AHP视为夹盘均匀,各向同性材料。

层次分析法的线性材料参数更新通过最小化目标函数定义为(5)利用溶胶200程序NASTRAN软件。初始值的杨氏模量和泊松比4.50绩点和0.33,分别。数据9- - - - - -11显示变化的目标函数与设计周期和设计参数的优化过程,分别。表2展示了更新后的材料参数和表的结果3显示了实验测量,初步估计和更新后的固有频率。

在第二部分中,层次分析法使用正弦力量大得多的兴奋水平,以确定系统的非线性特征。两个不同层次的激励力量(5 N和8 N)被认为是用于实验测试的测试频率范围将从11赫兹到15赫兹的蜘蛛- 81软件系统。完全不同于线性结构的情况下,图12显示,测量误差和结构的固有频率与激振力的振幅减小。

在本部分中,杨氏模量的参数,屈服点和硬化模量更新通过最小化目标函数定义为(6)。非线性材料参数的优化过程如下图所示5并使用MATLAB的遗传算法优化器执行的实时数据交换NASTRAN求解程序。优化的结果如表所示4和数字13和14。更新后的有限元模型的响应与实验测量的响应,如图13。最后,提出的策略是通过比较验证更新的频率响应模型和实验测试下另一个激动人心的水平(8 N)。图14演示了一个非凡的协议更新后的有限元模型的动态响应和实验测试在8 N激发力量。它确认更新后的有限元模型能够描述非线性行为的组装结构与多个螺栓受到更高水平的作用。

5。结论

本研究的目的是调查AHP的非线性动力学建模和参数辨识与多个螺栓。它是通过实验测试表明,AHP的动态响应与多个螺栓在低和高激励水平线性和非线性,分别。面板的等效线性材料参数识别使用线性响应在低激励水平。薄薄的一层弹塑性材料是用于描述螺栓接合界面,因为这种材料的本构关系可以描述的非线性行为的螺栓连接的接口。更新的参数的非线性材料薄层之间通过最小化误差有限元方法和实验测量结果在高激励水平。它表明,更新的频率响应有限元模型和实验测试相互吻合较好。更新后的有限元模型可以用来描述与多个螺栓组装结构的非线性行为受制于更高水平的作用。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持部分由中国国家自然科学基金资助下11372130,11290153,11290154和部分的基础下的中国全国优秀博士论文的作者格兰特201233。

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