螺栓结合面的建模方法及模态分析

螺栓结合面的建模方法及模态分析

摘要：根据对结合面的处理方法的不同，采用了有限元分析软件ANSYS建立了不同的螺栓结合面的有限元模型。在不同的螺栓预紧力情况下，对各个模型的进行了模态分析，得到了固有频率。通过分析数据结果，总结了不同的结合面建模方式对系统的模态分析的影响。

关键词：螺栓结合面；模态分析；固有频率；预紧力 引言

机械结构中零件、组件和部件相互接触的表面称为结合面，它在机械结构中大量地存在，使机械结构或系统不再是一个连续的整体。 根据运动方式分类，结合面分可以分为为三类。第一类固定结合面，如螺纹联接面、铆钉联接面、销联接面和焊接联接面等；第二类是半固定结合面，如摩擦离合器的联接面[1]；第三类是运动结合面，如齿轮和链轮的啮合面、丝杠螺母的联接面、轴承联接面和导轨联接面等。本文研究的螺栓结合面是属于固定结合面，主要起联接固定的作用。在机械结构中，螺栓结合面是应用广泛的一种连接方式，影响着整个系统的静态特性和动态特性，因此螺栓结合面的分析研究具有十分重要的意义。

随着电子计算机的迅速发展，有限元分析法的应用越来越普遍。它是一种有效的数值分析方法，首先应用于连续体力学领域，随后很快广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续问题[2]。ANSYS是有限元分析领域的大型通用软件之一，提供了用来模拟各种结构和材料的单元类型、多种有限元分析功能模块。它不但能用于对结构、热、磁场、流体等单独研究，还能用于热-结构耦合和、流体-结构耦合等。本文主要用ANSYS对螺栓结合面结构进行动力学分析的模态分析，应用计算结构的固有频率。

1.模态分析的原理

动力学分析类型包括瞬态动力学、谐响应分析、模态分析和谱分析。其中，模态分析是其它动力学分析的基础，用于确定结构的固有频率和振型，能使设计的结构避免共振。模态分析的求解是针对下面的运动方程：

上式的矩阵特征值即为系统的固有频率 ，系统的模态分析就是求解矩阵特征值和特征向量的问题。

2.螺栓结合面的有限元模型

螺栓结合面的建模方法不同，模态分析得到的固有频率也不同，本文将采用粘接法和弹簧阻尼单元处理结合面进行建模。

2.1粘结法的有限元模型