一种包带连接结构摩擦阻尼特性解析计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于航空航天技术中包带结构解析力学领域，尤其涉及一种包带连接结构 接触摩擦非线性特性的解析计算方法。
【背景技术】
[0002] 包带连接结构是目前航天领域应用最广泛的星箭连接结构形式。典型包带连接结 构主要由金属带、爆炸螺栓、卡块、卫星对接框部件组成，其中金属带、爆炸螺栓和卡块为连 接件；上下对接框为被连接件。在装配时，通过拧紧爆炸螺栓，在两条金属带内施加预紧力， 进而对金属带内侧沿对接面周向离散分布的卡块产生径向压力，使卡块夹紧上对接框和下 对接框，约束其纵向相对运动，实现星箭连接。
[0003] 在卫星发射过程中，星箭系统处于严酷的载荷环境中。在外载荷的作用下，包带界 面上各组件间的接触状态会发生变化，甚至出现微小滑移。这种接触摩擦力学行为会导致 局部连接刚度非线性，并在星箭系统中引入摩擦阻尼，影响星箭整体系统在飞行过程中的 动力学特性。因此，实现包带接触摩擦非线性力学行为的精确表征，获得包带连接结构的摩 擦阻尼特性，对于掌握星箭连接界面对星箭系统动特性的影响，保证卫星发射过程安全可 靠具有重要意义。
[0004] 目前，针对连接结构中的接触摩擦问题，国内外普遍采用有限元方法进行建模和 数值仿真。虽然有限元方法能够较准确的模拟接触、摩擦等非线性力学行为，但含接触问题 的有限元模型的规模都很大，而且计算效率很低，同时还存在收敛性等问题。更重要的是， 有限元数值模拟结果仅针对一组特定的结构和载荷参数，无法反映各参数对摩擦阻尼特性 的影响规律。除了采用有限元数值仿真，国外一些学者提出了各类具有迟滞特性的力学模 型，广泛用于研究螺栓连接结构的摩擦阻尼特性。然而，这些模型只能获得具有对称性的迟 滞回线。在包带连接结构，由于上下对接框之间的单边约束，导致其迟滞回线具有极强的非 对称性；包带连接结构的摩擦阻尼特性与包带各组件的变形和相对运动耦合在一起。这种 情况下，已有的摩擦阻尼模型不再适用。
【发明内容】
[0005] 针对上述现有技术的不足，本发明提出一种适用于表征包带连接结构摩擦阻尼特 性的解析力学模型，确定纵向循环加载条件下包带连接结构中摩擦力和相对位移随外载荷 变化关系，实现包带连接界面接触摩擦非线性特性的精确高效模拟的方法。
[0006] -种包带连接结构接触摩擦非线性特性的解析计算方法，其特征在于，该方法包 括以下步骤：
[0007] 步骤1、对纵向循环载荷作用下包带连接结构的受力和变形进行分段线性建模，具 体过程为：
[0008] 将一个纵向力加载周期内包带连接结构的受力和变形划分为9个线性段：
[0009] 第1段，最初包带连接结构仅受预紧力作用，纵向力从0正向加载，卡块3与对接 框之间由负向宏滑移状态过渡到正向宏滑移状态，上对接框4与下对接框5之间存在张角， 但处于接触状态；
[0010] 第2段，纵向力进一步加大直至达到正向极限值，在该段内，卡块3与对接框始终 处于正向宏滑移状态，上对接框4与下对接框5脱离；
[0011] 第3段，纵向力开始减小，卡块3与对接框之间由正向宏滑移状态过渡到负向宏滑 移状态，上对接框4与下对接框5保持脱尚状态；
[0012] 第4段，纵向力进一步降低，该段内，卡块3与对接框之间始终处于负向宏滑移状 态，上对接框4与下对接框5之间恢复接触；
[0013] 第5段，纵向力降至0,该段内，卡块3与对接框之间仍然处于负向宏滑移状；
[0014] 第6段，纵向力反向加载，上对接框4与下对接框5之间的张角逐渐减小至完全贴 合；
[0015] 第7段，纵向力继续增大至极限值，上对接框4与下对接框5完全贴合，并出现挤 压变形；
[0016] 第8段，纵向力减小，上对接框4与下对接框5挤压变形减小，但仍处于完全贴合 状态；
[0017] 第9段，纵向力降至0,此时包带连接结构仅受预紧力作用，与第1段初始状态相 同；
[0018] 步骤2、确定各线性段交点处包带连接结构受力和变形的解析表达式；
[0019] 具体步骤为：
[0020] 步骤201、对纵向力作用下包带连接结构进行受力和分析，得到上对接框4与下对 接框5纵向相对位移z的一般表达式
[0022] 其中，中间变量
中间变i
中间 变量
中间变量
是单位弧 长金属带与卡块3间的接触压力，S是包带所受预紧力，Rb是金属带2中面所在圆周半径，
是单位弧长对接框所受纵向力，T是对接框所受纵向力，R。是圆柱壳7中面半径， ff是单位弧长卡块与对接框间的摩擦力，α是卡块楔角，E是包带组件的弹性模量，V是包 带组件的泊松比，
'是损耗因子，^是对接框圆柱壳7的厚度，Rf是卡块 3与对接框接触力合力作用点处法兰环6的半径，tf= t。_2 (Rf-R2) tan ( α /2)是卡块3与 对接框接触力合力作用点处法兰环6的厚度，t。是对接框圆柱壳7与法兰环6接头处法兰 的厚度，r。是上对接框4与下对接框5接触力合力作用点与法兰环6外缘之间的径向距离， A R = R1-Rq是从对接框柱壳7中面到法兰环6外缘的径向距离，S = (%+ /0/2是法兰环6 的平均半径，&是法兰环6外径，R 2是圆柱壳7外径，R 3是圆柱壳7内径，A是法兰环6径 向截面的面积，L是法兰环6径向截面的惯性矩；
[0023] 步骤202、在步骤1的基础上得出9个线性段所对应的10个交点处所对应的参数 之间的关系，即：包带连接结构所受纵向力?\~T i。，卡块3与对接框之间的摩擦力ffl~f fl。 以及上对接框4与下对接框5之间的相对位移Zl~z i。表达式，具体如下：
[0024] 第1段起始点处，纵向力为0,在预紧力的作用下，卡块3与对接框之间处于负向宏 滑移状态；此时包带所受纵向力T 1、卡块3与对接框间摩擦力ffl以及上对接框4与下对接 框5纵向相对位移Z1表达式分别为
[0026] 其中，
是无纵向力作用时单位弧长金属带与卡块3间的接触压力，S。是无 纵向载荷作用时包带所受的初始预紧力，Rra是无纵向力作用时卡块3与对接框接触力合力 作用点处法兰环6的半径，tf。是无纵向力作用时卡块3与对接框接触力合力作用点处法兰 环6的厚度，μ是卡块3与对接框间摩擦系数；此时，卡块3与对接框接触力合力位于卡块 楔顶8处，因此R f。的值等于卡块楔顶8对应的法兰环6半径，t f。的值等于卡块楔顶8对应 的法兰环6厚度；
[0027] 第1段与第2段交点处，卡块3与对接框之间处于正向宏滑移状态；此时包带所受 纵向力T 2、卡块3与对接框间摩擦力ff2以及上对接框4与下对接框5纵向相对位移z 2表 达式分别为
[0030] 第2段与第3段交点处，纵向力达到正向极限值，卡块3与对接框处于正向宏滑移 状态，上对接框4与下对接框5脱离；此时包带所受纵向力T3、卡块3与对接框间摩擦力ff3 以及上对接框4与下对接框5纵向相对位移Z3表达式分别为
[0033] 其中，Tm为纵向力正向极限值，
为纵向力达到正向极 限值时单位弧长金属带与卡块3间的接触压力，Ab为金属带2径向截面面积；
[0034] 第3段与第4段交点处，纵向力开始减小，卡块3与对接框之间处于负向宏滑移状 态，上对接框4与下对接框5保持脱离状态；此时包带所受纵向力T4、卡块3与对接框间摩 擦力ff4以及上对接框4与下对接框5纵向相对位移z 4表达式分别为
[0037] 第4段与第5段交点处，纵向力进一步降低，卡块3与对接框之间处于负向宏滑移 状态，上对接框4与下对接框5之间恢复接触；此时包带所受纵向力T5、卡块3与对接框间 摩擦力ff5以及上对接框4与下对接框5纵向相对位移z 5表达式分别为，
[0040] 第5段与第6段交点处，纵向力降至0 ;此时，包带连接结构的受力和变形状态与 第1段起始点完全相同，包带所受纵向力T6、卡块3与对接框间摩擦力f f6以及上对接框4 与下对接框5纵向相对位移Z6表达式分别为
[0041] T6, ff6, Z6= T !, ffl, Z1;
[0042] 第6段