3-62  楔环连接结构非线性力学行为的实验和有限元数值模拟

尹益辉  胡绍全  符春渝  刘远东  刘青林  赵荣国

楔环连接用于连接两个筒体，在一些武器结构上已实际应用。研究和认识楔环连接结构的静、动力学行为，不仅有助于提高人们对该种结构的设计水平，也可以加强人们对诸如此类复杂结构中各种力学规律的认识，促进学科发展。

从静、动力学实验和三维接触有限元计算方面，研究如图1所示由两个筒体和两根环带组成的楔环连接结构（以下称为试件）的非线性静、动力学行为。

在静力学方面，对试件施加轴向或轴向－横向联合载荷，采用应变片和电子散斑测试系统，测出了不同载荷下试件典型部位的变形和应力。同时，考虑各部件之间的摩擦接触关系建立试件的三维有限元模型，进行与实验对应的数值模拟，得到了相应的计算数据。将实验和计算数据结合，认识了静力作用下试件的非线性变形特征和应力分布规律：(1) 轴向拉伸过程中，试件的拉伸－变化曲线在拉力增大到一定值时会发生强非线性转折，从机理上认识到，引起该转折的原因是安装孔导致了试件轴对称性丧失、发生变形偏心，而使试件更容易被拉长；(2) 在轴向拉伸载荷下或轴向－横向联合载荷下，连接部位的局部弯曲是试件强度失效的主要原因；(3) 在轴向－横向联合载荷增大过程中，环带与壳体的接触位置会发生变化，从而导致口盖孔邻近区域应力集中位置也有一定变化，结构上应力随载荷的非线性变化。

在动力学方面，对试件进行模态特性实验和基于实验建模修正的有限元数值模拟，测到了试件的前6阶振型和频率，其中前5阶振型和频率与结果吻合很好。对试件施加各种不同类型的激励，研究了试件的响应以及试件对各种类型振动激励的传递情况，了解到试件轴向和横向振动的各阶频率均随着载荷功率谱的增大而减小，试件表现出明显的软非线性特性。对试件施加横向加速度为10 g的1 kHz正弦激励，测试了试件对定频激励的传递情况，了解到简谐振动经过环带传递后有了高频成分。通过频谱分析了解到，这些高频成分都是倍频现象所致，即试件在传递振动的过程中会产生倍频现象。在理论上，利用传递模型，基于较小量级轴向和横向随机振动实验测得的传递函数，对较高量级随机振动实验各测点的响应进行了预测。结果是，随机振动量级越大预测结果偏差也越大。分析表明，这种基于线性理论的预测结果与实验结果的偏差反映出了结构的非线性特性。综合分析理论和实验结果，认为在力学机理上，试件等效刚度变化是引起试件力学特性发生变化的原因。