螺栓固結界面接觸剛度的虛擬材料建模

(1.北京科技大學機械工程學院，北京，100083；2.重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶，400044)

螺栓聯接是工程結構中最常見的連接形式之一。通過螺栓將不同的工作部件連接在一起，形成整體的機器結構，廣泛應用于航空航天裝備、高精度制造裝備、精密儀器等機械裝備[1-4]。各種類型復雜多樣的螺栓聯接結構的共性特征是相互接觸的構件表面具有粗糙形貌，同時界面在一定預緊力下工作。螺栓固結界面的接觸剛度是描述螺栓結構界面特性最重要的參數之一。研究表明，螺栓固結結構界面的接觸剛度占機械結構總剛度的60%～80%，其變化直接影響界面以及機械裝備系統的動力學性能[5-8]，因此，螺栓固結界面的準確動力學建模和接觸剛度的準確計算，對機械結構系統的性能分析與預測至關重要。目前，人們對螺栓固結結構的動力學建模和界面剛度特性進行了大量的研究。研究人員提出了彈簧-阻尼單元模型、接觸單元模型和虛擬材料模型的建模方法，來表征和描述螺栓固結界面的接觸特性[9-15]。其中，彈簧-阻尼單元模型采用相互獨立的離散彈簧-阻尼單元來表征螺栓固結界面的接觸特性與動力學行為；接觸單元建模方法采用零厚度單元、平面單元或三維單元來等效模擬螺栓固結界面的接觸特性。彈簧-阻尼單元模型和接觸單元模型存在無法描述實際連續的接觸界面之間的相互耦合作用關系、建模精度不高、難以準確表征實際螺栓界面的接觸特征，以及界面參數難以準確設置等缺點[9-10]。……