螺栓法兰连接结构的拉压不同刚度动力学模型

栾 宇，关振群，程耿东，阳志光，冯韶伟

（1.北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2.工业装备结构分析国家重点实验室，大连，116023）

0 引 言

螺栓法兰连接结构是一种典型的结构连接形式，广泛应用于航天器等工业结构中。但是，连接本身破坏了结构的连续性，在连接面（对接面）引入了接触与摩擦、甚至碰撞等非线性因素，这就使得螺栓法兰连接结构的动力学特性较为复杂，不易分析[1]。

连接结构的静力分析一般通过基于有限元的接触算法实现，但限于动力学算法、动力学建模技术、碰撞—摩擦与耗散以及计算成本等因素，螺栓法兰结构的动力学计算还没有形成统一的范式[2]。

传统上，为了计算运载火箭、导弹等结构的整体动力学特性及动力响应，首先建立简化线性梁模型，结合试验模态方法进行动刚度修正与模型确认[3]，然后将动力学外载加载在模型上，以获取截面的内力响应数据（弯矩、剪力、轴力）作为结构设计中的载荷依据[4]。线性梁模型中法兰的连接刚度通常被等效为梁的弯曲刚度或扭矩弹簧的扭转刚度[5]。但是，法兰连接结构实际上是接触非线性问题，即连接刚度取决于连接面的状态[6]，因此，线性模型无法准确描述其力学特性。

本文首先对典型螺栓法兰连接结构的静力特性进行了研究，阐明了其轴向拉压不同刚度这一重要特性；然后，在连接结构的动力学简化建模中引入了双线性弹簧模拟其拉压不同刚度特性。为研究冲击响应机理，本文将螺栓法兰连接结构抽象为两自由度的质量-弹簧系统，对系统的冲击响应进行了理论分析，并开发自适应递归算法进行动力学数值求解。……