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    重庆时时彩升降图: 用于结构动力学仿真的橡胶O形圈有限元建模方法.pdf

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    用于 结构 动力学 仿真 橡胶 有限元 建模 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201611163679.1

    申请日:

    2016.12.16

    公开号:

    CN106777691A

    公开日:

    2017.05.31

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20161216|||公开
    IPC分类号: G06F17/50 主分类号: G06F17/50
    申请人: 中国船舶重工集团公司第七0五研究所
    发明人: 严海; 梁跃; 杨阳; 曹浩; 白超
    地址: 710075 陕西省西安市高新一路18号
    优先权:
    专利代理机构: 西北工业大学专利中心 61204 代理人: 王鲜凯
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201611163679.1

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.06.23|||2017.05.31

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种用于结构动力学仿真的橡胶O形圈有限元建模方法,用于解决现有橡胶O形圈有限元建模方法复杂的技术问题。技术方案是对轴结构、孔结构和O形圈组成的系统进行结构简化,建立其有限元模型;然后对系统进行自由边界条件下的模态试验,获得固有频率、振型等模态参数;以模态仿真计算结果与模态试验结果的误差最小为目标函数,采用优化算法确定O形圈的弹性模量E,从而获得具有较高精度的O形圈有限元模型。该方法可以获取具有较高仿真精度的轴孔配合结构的动力学仿真模型,进而获得高精度的动力学仿真结果,动力学仿真结果与试验结果误差保持在10%以内,方法简单。

    权利要求书

    1.一种用于结构动力学仿真的橡胶O形圈有限元建模方法,其特征在于包括以下步骤:
    步骤一、O形圈(2)结构等效;
    为了便于建立O形圈(2)的有限元模型,设定O形圈(2)装配后的理想状态条件为:
    a)O形圈(2)装入孔结构(3)与轴结构(1)构成的O形圈槽后,填满O形圈槽;
    b)O形圈(2)外表面与孔结构(3)无相对运动;
    c)O形圈(2)内表面与轴结构(1)无相对运动;
    步骤二、建立系统的有限元模型;
    轴结构(1)和孔结构(3)按实际结构尺寸进行建模,其弹性模量E、泊松比ν和密度ρ参数
    按结构材料的物理参数设置;O形圈(2)按照理想状态条件a)进行建模,其泊松比ν和密度ρ
    按O形圈(2)材料的物理参数设置,弹性模量E为待定变量;O形圈(2)与轴结构(1)和孔结构
    (3)之间的连接关系按照理想状态条件b)和c)进行处理;
    步骤三、确定模态参数;
    以轴结构(1)、孔结构(3)和O形圈(2)组成的系统为对象,在自由边界条件下,对系统进
    行模态试验,获取自由边界条件下系统的固有频率、振型这些模态参数;
    步骤四、确定等效O形圈(4)等效弹性模量Ex;
    采用优化算法求解等效O形圈(4)的等效弹性模量Ex;定义等效O形圈(4)的等效弹性模
    量Ex作为设计变量,Ex的取值范围为0.01E~10E,E为材料的弹性模量;定义模态仿真计算结
    果与模态试验结果的误差最小为目标函数f(x),即
    <mrow> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>|</mo> <msub> <mi>&omega;</mi> <mrow> <msub> <mi>Error</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>+</mo> <msub> <mi>&beta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>(</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>MAC</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
    式中,i表示固有频率和模态振型的阶次;表示第i阶固有频率仿真计算值和试验
    值误差的绝对值;MACi表示第i阶模态振型仿真计算值和试验值的相关性;αi和βi分别表示
    第i阶固有频率的误差和MAC值残差的加权系数,和MACi均为等效O形圈(4)等效弹性
    模量Ex的函数。
    2.根据权利要求1所述的用于结构动力学仿真的橡胶O形圈有限元建模方法,其特征在
    于:所述αi和βi取值均为1。

    说明书

    用于结构动力学仿真的橡胶O形圈有限元建模方法

    技术领域

    本发明涉及一种橡胶O形圈有限元建模方法,特别涉及一种用于结构动力学仿真
    的橡胶O形圈有限元建模方法。

    背景技术

    O形圈是轴孔配合结构最常用的密封方式之一,由于其质量与刚度远小于轴结构
    和孔结构,因此在进行轴孔配合结构整体动力学仿真分析时,O形圈结构通常被忽略。但是,
    当轴结构和孔结构之间的连接刚度与O形圈的刚度处于同一个数量级或者轴结构和孔结构
    之间的连接刚度完全由O形圈提供时,忽略O形圈结构,将导致整体结构动力学模型出现较
    大误差。

    ANSYS等大型通用非线性有限元程序通常采用Mooney-Rivlin模型分析和计算橡
    胶的力学性能.

    文献“液压伺服作动器O形密封圈实验研究与有限元分析[D],哈尔滨工业大学,
    2011,P31-47”公开了一种橡胶O形圈有限元建模方法,该方法在建立O形橡胶密封圈有限元
    模型过程中,选用几个参数表示的应变能密度函数来描述超弹性体不可压缩材料特性。而
    为了确定Mooney-Rivlin模型参数,文献通过对丁腈橡材料的胶哑铃状试件进行等双轴拉
    伸实验、单轴拉伸实验和剪切实验,根据实验测得的应力应变数据,利用MATLAB软件线性回
    归和ANSYS软件的计算,求出了试件的Mooney-Rivlin常数,从而为O形橡胶密封圈有限元建
    模提供材料特性参数。由于橡胶材料的非线性、不可压缩性和大变形性,文献中用试验方法
    确定橡胶材料力学性能常数的过程繁杂,且试验采用的胶哑铃状模型试件与O形圈结构不
    一致,其力学性能参数也有偏差,试验件的制备也耗时费力。而且,该种方法以静力学试验
    确定的材料特性参数多运用于研究材料失效、受压下的变形和可靠性等静密封及微动密封
    特性分析,对于通过O形圈密封连接轴和孔的整体结构系统的动力学仿真建模,该种方法确
    定的力学性能参数未必适用。

    发明内容

    为了克服现有橡胶O形圈有限元建模方法复杂的不足。本发明提供一种用于结构
    动力学仿真的橡胶O形圈有限元建模方法。该方法对轴结构、孔结构和O形圈组成的系统进
    行结构简化,建立其有限元模型;然后对系统进行自由边界条件下的模态试验,获得固有频
    率、振型等模态参数;以模态仿真计算结果与模态试验结果的误差最小为目标函数,采用优
    化算法确定O形圈的弹性模量E,从而获得具有较高精度的O形圈有限元模型。该方法可以获
    取具有较高仿真精度的轴孔配合结构的动力学仿真模型,进而获得高精度的动力学仿真结
    果,方法简单。

    本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种用于结构动力学仿真的橡胶O
    形圈有限元建模方法,其特点是包括以下步骤:

    步骤一、O形圈2结构等效。

    为了便于建立O形圈2的有限元模型,设定O形圈2装配后的理想状态条件为:

    a)O形圈2装入孔结构3与轴结构1构成的O形圈槽后,填满O形圈槽;

    b)O形圈2外表面与孔结构3无相对运动;

    c)O形圈2内表面与轴结构1无相对运动。

    步骤二、建立系统的有限元模型。

    轴结构1和孔结构3按实际结构尺寸进行建模,其弹性模量E、泊松比ν和密度ρ参数
    按结构材料的物理参数设置;O形圈2按照理想状态条件a)进行建模,其泊松比ν和密度ρ按O
    形圈2材料的物理参数设置,弹性模量E为待定变量;O形圈2与轴结构1和孔结构3之间的连
    接关系按照理想状态条件b)和c)进行处理。

    步骤三、确定模态参数。

    以轴结构1、孔结构3和O形圈2组成的系统为对象,在自由边界条件下,对系统进行
    模态试验,获取自由边界条件下系统的固有频率、振型这些模态参数。

    步骤四、确定等效O形圈4等效弹性模量Ex。

    采用优化算法求解等效O形圈4的等效弹性模量Ex。定义等效O形圈4的等效弹性模
    量Ex作为设计变量,Ex的取值范围为0.01E~10E,E为材料的弹性模量;定义模态仿真计算结
    果与模态试验结果的误差最小为目标函数f(x),即


    式中,i表示固有频率和模态振型的阶次;表示第i阶固有频率仿真计算值和
    试验值误差的绝对值;MACi表示第i阶模态振型仿真计算值和试验值的相关性;αi和βi分别
    表示第i阶固有频率的误差和MAC值残差的加权系数,和MACi均为等效O形圈4等效弹
    性模量Ex的函数。

    所述αi和βi取值均为1。

    本发明的有益效果是:该方法对轴结构、孔结构和O形圈组成的系统进行结构简
    化,建立其有限元模型;然后对系统进行自由边界条件下的模态试验,获得固有频率、振型
    等模态参数;以模态仿真计算结果与模态试验结果的误差最小为目标函数,采用优化算法
    确定O形圈的弹性模量E,从而获得具有较高精度的O形圈有限元模型。该方法可以获取具有
    较高仿真精度的轴孔配合结构的动力学仿真模型,进而获得高精度的动力学仿真结果,动
    力学仿真结果与试验结果误差保持在10%以内,方法简单。

    下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

    附图说明

    图1是本发明方法所涉及的轴孔配合结构的O形圈结构图。

    图2是等效后的O形圈结构图。

    图中,1-轴结构,2-O形圈,3-孔结构,4-等效O形圈。

    具体实施方式

    参照图1-2。本发明以轴孔配合结构的O形圈为研究对象,用于结构动力学仿真的
    橡胶O形圈有限元建模方法具体步骤如下:

    步骤一、O形圈2结构等效。

    为了便于建立O形圈2的有限元模型,设定O形圈2装配后的理想状态条件为:

    a)O形圈2装入孔结构3与轴结构1构成的O形圈槽后,填满O形圈槽;

    b)O形圈2外表面与孔结构3无相对运动;

    c)O形圈2内表面与轴结构1无相对运动。

    步骤二、建立系统的有限元模型。

    轴结构1和孔结构3按实际结构尺寸进行建模,其弹性模量E、泊松比ν和密度ρ等参
    数按结构材料的物理参数设置;O形圈2按照理想状态条件a)进行建模,其泊松比ν和密度ρ
    按O形圈2材料的物理参数设置,弹性模量E为待定变量;O形圈2与轴结构1和孔结构3之间的
    连接关系按照理想状态条件b)和c)进行处理。

    步骤三、确定模态参数。

    以轴结构1、孔结构3和O形圈2组成的系统为对象,在自由边界条件下,对系统进行
    模态试验,获取自由边界条件下系统的固有频率、振型等模态参数。

    步骤四、确定等效O形圈4等效弹性模量Ex。

    采用优化算法求解等效O形圈4的等效弹性模量Ex。定义等效O形圈4的等效弹性模
    量Ex作为设计变量,其取值范围定义为0.01E~10E(E为材料的弹性模量);定义模态仿真计
    算结果与模态试验结果的误差最小为目标函数f(x),即


    式中,i表示固有频率和模态振型的阶次;表示第i阶固有频率仿真计算值和
    试验值误差的绝对值;MACi表示第i阶模态振型仿真计算值和试验值得相关性;αi和βi分别
    表示第i阶固有频率的误差和MAC值残差的加权系数,通常情况下均取1。和MACi均为
    等效O形圈4等效弹性模量Ex的函数。

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