含滞迟缓冲器的螺栓法兰连接结构稳态随机响应

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1、第１５卷第３期２０１７年６月动力学与控制学报Ｖｏｌ．１５Ｎｏ．３１６７２６５５３／２０１７／１５⑶／２３６６ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＤＹＮＡＭＩＣＳＡＮＤＣＯＮＴＲＯＬＪｕｎ．２０１７含滞迟缓冲器的螺栓法兰连接结构稳态随机响应１１２１１１１姜运哲曾岩赵振军李刚关振群周锦航罗超（１．工业装备结构分析国家重点实验室，大连理工大学工程力学系，国际计算力学研究中心，大连１１６０２４）（２．北京宇航系统工程研究所，北京１０００７６）摘要基于螺栓法兰连接结构简化动力学模型，针对上部结构内包含滞迟缓冲机构的情况，通过蒙特卡洛数值模拟研究了高斯白噪声纵向载荷作用下的结构随机响应特性．在

2、简化动力学模型中，通过拉压不同刚度的非线性弹簧表征螺栓法兰连接，上部缓冲机构用ＹａｒＨａｍｍｏｎｄ双线性滞迟系统描述，以便用于航天器对应舱段结构动力学响应的快速计算．在数值模拟之前对此系统进行了无量纲化，而后通过数值模拟分析了不同参数条件下的稳态响应概率密度函数，讨论了结构稳态随机响应的演化规律．关键词双线性滞迟，螺栓法兰连接结构，稳态随机响应，高斯白噪声，蒙特卡洛模拟ＤＯＩ：１０．６０５２／１６７２６５５３２０１７０２８［４］随机动力学基础理论建立，而自上世纪中期，由引言于航空、航天、土木、海洋等工程的需要，随机振动［５－８］螺栓法兰连接结构是由法兰和螺栓组成的

3、可作为一门学科应运而生．另一方面，动载荷作［９］拆连接结构，具有构造简单和可操作性好等特点，用下的许多物理系统都会出现滞迟现象，比如在因此，在各种工程结构中被广泛应用．比如，航天器结构动力学领域，滞迟现象可被用来描述非保守系结构的级间分离面、石油化工设备中密闭管道连接统行为．在这种系统中，回复力不仅仅由瞬时变形部、风力发电机主轴结构及核反应堆冷却泵转子组决定，也与变形历史有关，如果运动是往复的，回复［１］件的轴向连接结构等．有鉴于这类结构往往需要力和变形之间的关系曲线就是一个闭合的环，环包［１０］工作在各类动载荷环境中，对该类结构的简化动力围的区域代表着能量损耗．在众多滞

4、迟系统模学建模及动力学响应分析一直是其研究的热点．例型中，双线性滞迟系统是最典型的一种，它经常用［２］如，栾宇等引入轴向拉压不同刚度的螺栓法兰连于结构非线性的近似分析中，因此在工程领域有着［１１］［１２］接结构模型，将整体结构简化为两自由度质量弹簧极其重要的位置，比如，Ｃａｕｇｈｅｙ开创性的工［３］系统；而后，芦旭、关振群建立了含剪力销的螺栓作揭示了双线性滞迟系统的特性，其显著的非线性法兰连接结构动力学简化模型，在忽略摩擦等条件特性一直是非线性动力学研究领域的热点．［１３］下，分析其在纵向冲击下的动力学特征，讨论了不本文将根据芦旭等提出的螺栓法兰连接结同工况、不同剪力销倾

5、角、不同装配间隙下螺栓最构动力学模型进行改进．增加上部滞迟结构，对简大拉力的变化趋势．由于螺栓法兰连接结构的对界化动力学模型在高斯白噪声激励作用下进行随机面存在接触和摩擦，导致其成为结构阻尼、非线性、响应分析，以便用于航天器对应舱段结构动力学响不确定性、甚至故障的主要来源．因此，对螺栓法兰应的快速计算．连接结构在随机激励下的稳态响应的研究就显得１简化动力学模型至关重要．通常的随机响应分析都是基于高斯白噪声的本文研究的螺栓法兰连接结构如图１所示，由２０１７０３２８收到第１稿，２０１７４１７收到修改稿．国家重点基础研究发展计划（２０１４ＣＢ０４６５０６）、国家自然科

6、学基金资助项目（１１３０２０３５、１１３７２０６１、１１６７２０５２、１１２７２０７４）和中央高校基本科研业务费专项资金资助通讯作者Ｅｍａｉｌ：ｚｅｎｇｙａｎ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ第３期姜运哲等：含滞迟缓冲器的螺栓法兰连接结构稳态随机响应２３７２于螺栓法兰连接结构存在刚度非线性，即在弹性变ω０ｊ＝ｋｒ／ｍｊ，形阶段，结构的拉压曲线在拉压状态改变处存在明ω２＝ｋ／ｍ，（５）ｉｊｂｉｊ显的拐点，呈现拉压刚度不同的双线性特性．因此ｉ，ｊ＝１，２采用拉压刚度不同的单轴双线性弹簧模拟该连接系统动力学方程可写为如下形式：［１］结构：２２２２ｖ¨１＋ζ１ｖ１＋(ω０１＋ω

7、１１＋ω２１)ｖ１－ω０１ｖ２ｋｂ＝ｋｂ＋，δ≥０；ｋｂ＝ｋｂ－，δ＜０（１）＋ｂ(２－ω２)２ｖ＝０其中，δ＜０对应于弹簧压缩状态，否则处于弹簧拉２ω２１１１θ＋ω０１ｒ伸状态．图１所示上部滞迟缓冲结构由双线性滞迟２ｖ¨２＋ζ２ｖ２＋ω０２(ｖ２－ｖ１－ｖｒ)＝０系统描述，其所包含的线性部分弹簧刚度为ｋｒ．在２θ¨＋ζθ＋ｂ(ω２－ω２)ｖ＋ｂ(ω２＋ω２)θ＝０建立的系统中，假设系统连接区域满足小变形，内３２２３１３１４１３２３部摩擦效应采用线性阻尼描述，上部缓冲机构相对（６）于底座无转动．引入双