内容简介
《连接结构的非线性力学行为与工程计算》针对复杂工程结构中广泛存在的连接接触问题，提出可以描述接触非线性力学行为的连接结构本构模型，开展理论推导、数值计算和实验研究工作；提出含截断幂律分布和双脉冲函数的六参数Iwan模型，开展连接结构静、动态力学实验；讨论接触表面粗糙度、螺栓预紧力矩和螺栓排布方式对螺栓连接结构力-位移关系及能量耗散特性的影响；提出一种考虑界面磨损效应的本构模型，采用均匀刚度离散化策略，将损伤本构模型应用于有限元数值计算，并开展实验验证。
本书可作为高等院校机械、力学及其他相关专业师生的学术参考书，也可作为工程结构分析从业者的工作参考书。
目录
第1章 绪论001
1.1 引言 001
1.2 连接接触界面非线性力学行为 002
1.3 连接接触模型 004
1.3.1 准静态摩擦模型 004
1.3.2 动态摩擦模型 006
1.3.3 连接接触本构模型 007
1.4 连接结构数值计算 011
1.5 连接结构实验研究 013
1.6 本书的主要研究内容 014
参考文献 015
第2章 平板搭接结构能量耗散特性研究018
2.1 引言 018
2.2 平板搭接结构能量耗散力学模型 019
2.2.1 Goodman能量耗散模型 019
2.2.2 修正摩擦能量耗散模型 020
2.3 接触有限元方法 022
2.3.1 接触问题的约束描述 022
2.3.2 罚函数法增量有限元方程 023
2.3.3 Lagrange乘子法增量有限元方程 025
2.4 算例分析 025
2.4.1 接触算法对计算结果的影响 026
2.4.2 库仑摩擦模型计算 028
2.4.3 修正摩擦模型计算 032
2.5 本章小结 033
参考文献 034
第3章 非均匀密度函数的六参数Iwan 模型035
3.1 引言 035
3.2 Iwan 模型 036
3.3 六参数非均匀密度函数 038
3.4 六参数Iwan 模型力-位移关系 039
3.4.1 骨线方程 039
3.4.2 微观滑移卸载方程 041
3.4.3 宏观滑移卸载方程 043
3.5 六参数Iwan 模型能量耗散 045
3.6 本章小结 049
参考文献 049
第4章 六参数Iwan 模型的参数辨识与离散化方法研究051
4.1 引言 051
4.2 六参数Iwan 模型参数辨识方法 052
4.3 六参数Iwan 模型离散化方法 056
4.3.1 基于位移的算术级数离散方法 056
4.3.2 基于位移的几何级数离散方法 058
4.3.3 基于刚度的算术级数离散方法 059
4.3.4 基于刚度的几何级数离散方法 059
4.4 算例分析 060
4.5 本章小结 067
参考文献 067
第5章 螺栓连接结构实验研究068
5.1 引言 068
5.2 扭力校核预实验 069
5.3 迟滞回线预实验 073
5.4 准静态实验 076
5.4.1 表面粗糙度的影响 077
5.4.2 螺栓预紧力矩的影响 079
5.4.3 螺栓排布方式的影响 080
5.4.4 螺栓连接结构力-位移关系 081
5.5 BMD 动力学实验 084
5.5.1 表面粗糙度的影响 087
5.5.2 螺栓预紧力矩的影响 089
5.5.3 螺栓排布方式的影响 092
5.6 本章小结 093
参考文献 095
第6章 含螺栓连接结构的薄壁圆筒动力学特性研究096
6.1 引言 096
6.2 薄壁圆筒实验装置 096
6.3 薄壁圆筒动力学实验研究 098
6.3.1 正弦扫频实验 098
6.3.2 定频激励实验 103
6.4 薄壁圆筒有限元数值模拟 109
6.5 本章小结 113
参考文献 114
第7章 六参数Iwan 模型适用性研究115
7.1 引言 115
7.2 修正摩擦模型数值计算结果表征 115
7.2.1 修正摩擦模型有限元数值计算 115
7.2.2 基于修正摩擦模型算例的参数辨识 118
7.2.3 基于修正摩擦模型算例的离散化数值计算 120
7.3 连接结构实验研究结果表征 125
7.3.1 微观滑移情况的参数辨识 125
7.3.2 宏观滑移情况的参数辨识 126
7.3.3 基于连接结构实验的离散化数值计算 129
7.4 本章小结 131
参考文献 132
第8章 基于BMD 动力学实验的接触模型参数辨识133
8.1 引言 133
8.2 等效黏性阻尼的能量耗散 134
8.3 装置设计与有限元分析 135
8.4 实验过程 137
8.4.1 表面粗糙度影响 139
8.4.2 螺栓排布方式影响 141
8.4.3 名义相同试件的重复性验证 142
8.4.4 实验数据展示 142
8.5 六参数Iwan 模型参数辨识 143
8.6 本章小结 146
参考文献 147
第9章 考虑界面损伤效应的五参数Iwan 模型149
9.1 引言 149
9.2 本构模型推导 150
9.3 模型离散化策略 154
9.4 离散模型的数值模拟 156
9.5 本章小结 158
参考文献 158
结论与展望160
前言/序言
大量复杂结构系统，例如航空发动机、飞行器、车辆和武器系统等是由不同零部件组合而成的。以武器系统为例，其由战斗部、动力装置、制导系统和弹体四大部件组成，各部件由种类繁多的零件组成。零件与零件、零件与部件、部件与部件之间通过不同的连接结构进行组合装配，形成系统。在外力作用下，连接接触部位复杂的微、宏观滑移现象会对系统整体力学行为产生显著的影响，造成结构系统刚度非线性，引起结构阻尼，并产生能量耗散。已有研究表明，由连接接触滑移所引起的能量耗散是结构阻尼的重要来源，占到整体阻尼的90%。在复杂的组合工程结构系统动力学分析中，采用直接数值模拟(direct numerical simulation，DNS)方法往往会受到计算规模和时间步长的限制而不可行。例如，航空发动机整体具有米级尺度，而有效描述连接力学行为的单元为10-5m 级尺度；另外，达到稳态响应需要数秒的计算时长，显式时间步长将在纳秒量级。综合这两方面的因素可知，问题的规模和总时间步长将异常庞大而使计算无法进行下去。因此，开展连接接触非线性特性研究，建立描述其非线性力学行为的理论模型，有效降低这类问题的求解规模和总计算时间步长，具有重要的意义。
本书针对复杂结构系统中广泛存在的连接接触问题，提出可以描述连接接触非线性力学行为的连接结构本构模型，开展理论推导、数值计算和实验研究工作。本书的主要研究内容：在Segalman四参数Iwan模型和Song的改进Iwan模型基础上，进一步提出含截断幂律分布和双脉冲函数的六参数Iwan模型；开展连接结构静、动态力学实验，讨论接触表面粗糙度、螺栓预紧力矩和螺栓排布方式对螺栓连接结构力-位移关系及能量耗散特性的影响；设计了含三组单螺栓连接件的薄壁圆筒组合结构，开展正弦扫频实验和定频激励实验，建立薄壁圆筒有限元模型，采用离散六参数Iwan模型描述螺栓连接件，开展有限元数值计算；根据螺栓连接结构静、动态实验结果开展六参数Iwan模型应用研究。
结果表明，六参数Iwan模型可以准确描述螺栓连接结构非线性力学行为，所提出的模型离散化方法可有效应用于连接结构切向接触行为的数值计算。所提出的修正摩擦能量耗散模型在一定情况下可以退化为库仑摩擦能量耗散模型和Goodman能量耗散模型。通过在Iwan模型中引入无量纲损伤因子，可准确描述不同工况下连接结构宏观滑移力衰减现象。未来仍需在一些核心问题上进行深入研究，例如连接接触微、纳观力学机理的揭示与表征，加载速率对连接结构力学行为的影响，交变载荷作用下连接结构力学性能的演化机理等。
本书由西华大学李一堃撰写。李一堃，四川大学工程力学学士，南京理工大学力学博士，现就职于西华大学建筑与土木工程学院力学部。本书得到了西华大学人才引进项目(Z241129)的资助，在此表示感谢。
由于笔者水平有限，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。
著者
