飞行器结构考虑连接面刚度的固有特性计算.研究

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1、第一章绪论一无接女时刚崖⋯有接头时剐虎图1．1刚度损失示意图1．连接面的存在使得全弹固有频率下降：由于连接面削弱了附近弹体的刚度，同时接头处往往存在空隙，因而它们都使全弹的固有频率降低。影响程度与连接面的数量、类型、位置有关。表1．1中歹Ⅱ举了一些导弹的～阶频率由于连接面存在的下降情况。表1．1连接面存在对全弹固有频率的影响导弹名称接头数一阶固有频率下降“响尾蛇”47％近程攻击导弹SRAM617％中程标准导弹IVlR717％远程标准导弹ER718％“不死鸟”1029％2．连接面的存在使得全弹振型发生畸变接头的存在，改变刚度分布，必然使振型形状、节点位置

2、发生变化。在控制系统的设计中节点位置是个重要参数。所以，为了精确确定振型，必须考虑连接面的影响。图1．2所示为某弹前三阶振型受连接面影响的变化情况。0一“0、＼一1．么、、h———，j弋＼．4久、”N、O‘一。钳接头图1．2某型导弹前三阶振型受连接面存在的影响2西北工业大学硕士学位论文图中X为弹体轴向坐标，坐标原点设在弹体头部理论顶点，妒为振型幅值。应当注意，同样的连接面，所处的位置不同影响也不同。一般讲，在导弹弹体中部的连接面影响更加突出。各种连接面的种类繁多，连接件也有各种各样的形式，他们都属于接触问题的范畴，同时连接情况还要受到加工、装配误差的影

3、响，因此精确计算对接面的刚度特性是很困难的。另外，任何连接件在装配过程中均需施加一定的预紧力或预紧力矩，预紧力的大小会影响对接面的接触状态，而接触状态又赢接决定连接件的刚度。因此，结构连接刚度的分析必然属于非线性范畴，这就更增加了他们分析难度。最后，结构的固有振动频率是结构的固有特性，本来与激励的大小无关，但是通过大量的实验已经证实，由于外载荷和预紧力的存在会使结构的接触状态和刚度特性会发生变化。而接触状态和刚度特性的改变必然反过来影响结构的固有特性。这种非线性耦合便产生了不同的外载荷和预紧力影响到结构不同固有振动特性的现象，这使得带有连接面和预紧力的

4、结构固有特性精确分析难上加难。1．2考虑连接面的计算方法目前考虑连接面刚度的计算采用两种方法：1．集中质量模型的传递矩阵法模拟连接刚度。它把连接面两侧的集中质量之间用刚度系数为kl的承弯盘式弹簧和刚度系数为始的拉压弹簧去模拟连接面的刚度。但是要根据结构的模拟试验结果通过数值计算才能确定k1和尥的值。在工程上有一定的困难。2．接触理论和非线性有限元法进行连接面刚度分析。这种方法考虑了连接件与被连接件的刚度、连接件预紧力大小及接触状态等因素。对于飞行器设计的预研阶段没有样机拿来试验，第一种方法是不可行的。并且第一种方法的成本较大，设计周期较长。随着有限元计

5、算技术的飞速发展，第二种方法已经越来越被工程界接受，计算精度也不断提高。本文就是运用第二种方法来计算连接面的刚度。第一章绪论●_I-___----●_-●___●●●--__●_●____-_---_--___●●__●-●-_●___●___--___●-_●_●____-●___一1．3接触问题的有限元数值方法接触问题(也就是边界非线性)与材料非线性和几何非线性被称为固体力学的三大非线性问题。接触问题由于考虑边界的非线性，并且由于摩擦的存在使得问题更加复杂，也是现阶段固体力学非线性分析的热点问题。早在1781年，法国工程师C．A．Coulomb就发

6、表了他的论文：TheoriedesMachinesSimple，提出了著名的Coulomb摩擦定律，揭开了接触力学研究的序幕。但由于科技水平的限制，直到1882年H．Hertz才比较系统地研究了弹性体接触地问题，并提出经典的Hertz接触理论。但是经典的弹性接触理论(见参考文献【1】)只能解决一些简单形状的物体：如圆柱与圆柱，圆柱与平叛，球体与球体等等。并且不能考虑摩擦存在。随着20世纪计算机技术的飞速发展，为人们带了了研究接触问题的数值方法。数值方法不仅仅能计算简单物体间的接触问题，还可以求解各种复杂的结构因此广泛的被工程上运用。其中本世纪60年代兴

7、起的有限单元法就是求解接触问题一个主要的数值方法。目前有限单元法发展比较成熟运用最为广泛。对于接触问题的求解人们运用有限元技术得到解决接触约束的方法：罚函数法、拉格朗日法、增广拉格朗日法、直接约束法等等。对于物理模型又有节点对方法和点面接触方法。使得接触问题的求解越来越成熟，并且不断在工程上得到运用。1．4结构固有特性计算的有限元方法研究结构的固有特性，即固有频率和固有振型是结构动力学分析的主要任务之～，因为这个问题就是研究结构振动的内因，研究矛盾的主要方法。对于多自由度或者复杂结构的固有特性分析采用有限元法是比较合适的。本文通过第四章的分析可以得到物

8、理上固有特性问题实质在数学上就是一个广义特征值问题。到目前为止，已经发展了许多解特征值问题的数