(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211270299.3 (22)申请日 2022.10.18 (71)申请人 江苏师范大学 地址 221004 江苏省徐州市铜山区上海路 101号 (72)发明人 曹建斌　吴成磊　刘文艺　谢文涛　 (74)专利代理 机构 温州市兴瓯步创知识产权代 理事务所(普通 合伙) 33494 专利代理师 花修洋 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 一种基于分层虚拟材料的螺栓连接结合部 建模方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于分层虚拟材料的螺 栓连接结合部建模方法， 首先， 构建包含接触面 和预紧力的螺栓连接结构 有限元模 型， 通过非线 性静力学分析获得结合面接触压力分布和间隙 分布特征； 其次， 结合面接触区域采用分层虚拟 材料描述其动态特性， 非接触区域的动态特性通 过间隙—弹簧单元模拟， 构建结合面有限元模 型； 最后， 将结合面模型融入整体有限元模型， 去 除螺栓和螺母模 型， 螺孔采用与螺栓相同的材料 进行填充， 基于脉冲激励实验识别模型刚度参 数， 建立基于分层虚拟材料的螺栓连接结构有限 元模型。 该方法适用于复杂螺栓装配连接结构， 具有求解速度快和准确度高的优点， 为螺栓连接 结构的动态响应预测和可靠性优化设计提供了 基础。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 115495962 A 2022.12.20 CN 115495962 A 1.一种基于分层虚拟材 料的螺栓连接结合部建模方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： (1)设置材料属性、 结合面接触和螺栓预紧力， 构建螺栓连接结构有限元模型， 进行螺 栓连接结构非线性静力学分析， 获得被连接件结合面接触压力分布云图和间隙分布云图， 将结合面划分为接触区域和非接触区域两 部分； (2)在结合面接触区域， 根据接触压力分布特征将接触区域划分为围绕螺孔的若干层 圆环， 各层圆环的接触压力Pi(i＝1,2…n， n为层数)近似为均匀分布。 对应于各层圆环， 通 过虚拟材料分别描述各层圆环在接触压力下 的动力学性能， 组装各层虚拟材料， 构建结合 面接触区域分层虚拟材 料模型； (3)在结合面非接触区域， 根据间隙分布特征将非接触区域划分为若干块， 通过MPC技 术将每个块的接触表面节点凝聚到一个虚拟节点上， 间隙接触表面的两个虚拟节点之 间通 过间隙—弹簧单元连接， 求解两个虚拟节点的非线性动态响应就可以表征结合面 非接触区 域微观碰撞非线性动态特性； (4)集成结合面接触区域分层虚拟材料模型和非接触区域间隙—弹簧单元模型， 构建 结合面有限元模 型， 将结合面模型融入步骤(1)中的连接结构有限元模 型， 去除结构模型中 的螺栓和螺母， 螺栓孔采用与螺栓相同的材料进行填充， 建立基于分层虚拟材料 的螺栓连 接结构有限元模型。 2.根据权利要求1所述的一种基于分层虚拟材料的螺栓连接结合部建模方法， 其特征 在于， 所述步骤(2)中的结合面接触区域分层虚拟材料模型， 第i层虚拟材料所需的材料参 数为弹性模量Ei、 剪切模量Gi、 泊松比υi和密度ρi， 其计算步骤如下： (1)从微观角度 出发， 测量连接结构接触表面的粗糙轮廓曲线， 计算获得接触表面的分 形维数D和分形粗 糙度参数G； 接触表面粗糙轮廓曲线采用Weierstrass ‑Mandelbrot函数表达， 其结构函数的对数形 式为 logS( τ )＝(4 ‑2D)logτ +logC 其中： τ 为采样长度方向上的位移， 利用最小二乘法对曲线结构函数的对数形式进行直线拟合， 获得直线的斜率ks和截距 b， 在双对数坐标系下， logS( τ )是logτ 的直线函数， 则ks＝4‑2D， b＝logC， 分形参数D和G 的 表达式为： D＝2‑0.5ks (2)根据第i层圆环的接触压力Pi， 计算微凸体的最大横截面积a ′L， Pi和a′L的关系表达 式为权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115495962 A 2其中： E*为等效粗糙表面的等效弹性模量， 且 υ1、 υ2和E1、 E2分别为两 个接触表面的泊松比和弹性模量； H为材料的硬度； ψ为微凸体尺 寸分布的域扩展因子， 与分 形维数D有关， ψ与D的关系为 ψ1‑0.5D‑(1+ψ‑0.5D)‑(2‑D)/D＝(2‑D)/D； a′c为微凸体弹塑性变形的 临界截面积， 表达式为 (3)第i层虚拟材 料的弹性模量Ei、 剪切模量Gi、 泊松比υi和密度ρi的表达式分别为 其中： Ai为第i层圆环的面积。 3.根据权利要求1所述的一种基于分层虚拟材料的螺栓连接结合部建模方法， 其特征 在于， 所述步骤(3)中的结合面非接触区域的间隙—弹簧单元， 根据步骤(1)得到的间隙分 布云图， 单元初始间隙值通过计算相应区域的间隙平均值获得， 单元刚度通过参数识别方 法获得， 参数识别方法如下： 首先， 利用力锤敲击的方式开展螺栓连接结构脉冲激励实验， 获得脉冲激励下的螺栓 连接结构加速度频率响应实验结果； 其次， 所述步骤(4)中建立的螺栓连接结构有限元模型， 进行脉冲激励条件下的结构动 力学仿真， 计算得到加速度频率响应仿真结果； 最后， 以间隙—弹簧单元的弹簧刚度为设计变量， 以不同频率下加速度响应幅值的仿 真结果与实验结果误差之和最小为目标函数， 基于高精度一阶优化方法对 单元弹簧刚度进 行优化， 满足优化终止条件后， 获得识别后的间隙—弹簧单 元刚度参数。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115495962 A 3