一種提高軸孔連接結構承載能力的設計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高軸孔連接結構承載能力的設計方法，包括以下步驟：第一步，建立軸孔連接結構接觸應力分析模型及理論計算方法；第二步，建立接觸優(yōu)化模型并設計計算；第三步，理論解與有限元解誤差對比。傳統(tǒng)軸孔連接結構沒有考慮軸孔配合區(qū)存在的接觸應力較大的現(xiàn)象，導致承載能力不高。本發(fā)明方法從影響接觸應力的因素出發(fā)，通過改變孔接觸面的曲面形狀并優(yōu)化其曲面參數(shù)，使最初接觸點數(shù)目增多、接觸面曲率得到優(yōu)化，從而使外力增加時軸孔接觸順序從兩側逐步向中部擴展，增加了接觸面積，降低了最大接觸應力，提高了承載能力。本發(fā)明方法新穎，思路明確，操作可行，具有較強的普適性，可以在其他連接結構設計中推廣應用。
【專利說明】一種提高軸孔連接結構承載能力的設計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于機械連接結構設計【技術領域】，具體涉及一種提高軸孔連接結構承載能力的設計方法。
【背景技術】
[0002]軸孔連接在結構設計中應用非常普遍，是工程結構中重要的傳力部件，比如螺栓與耳片。由于其本身的結構特點，承力時往往是外力通過軸直接施加在孔邊上，孔邊會因為擠壓而出現(xiàn)高應力的接觸區(qū)域，導致其承載能力不高，而且在動態(tài)載荷作用下，容易造成局部點的接觸受損。因此孔邊區(qū)域的接觸應力往往會成為影響整個連接結構承載能力的關鍵部位。
[0003]一般情況下，按照配合精度，軸和孔大部分是間隙配合，外力載荷P在通過軸向孔邊傳遞時，隨著外部載荷P的逐步增大，軸與孔的接觸區(qū)域首先由線接觸逐步過渡到面接觸，這個過程為邊界非線性接觸問題。軸與孔的配合間隙很小，配合表面在無變形時已經基本貼合在一起，在外力載荷P的作用下，將導致軸與孔之間接觸區(qū)的尺寸迅速擴大，使其與軸與孔本身的有效幾何尺寸相當。這一協(xié)調接觸的過程，不適合彈性半空間的假設，不滿足Hertz接觸理論的適用條件。
[0004]傳統(tǒng)的軸孔連接結構分析設計方法是按照連接結構的使用條件，基于其基本尺寸，確定軸孔的配合精度要求。這種設計方法沒有考慮到軸與孔配合時在接觸區(qū)域存在的高應力現(xiàn)象，導致孔邊容易達到其強度極限，因而結構承載能力不高。而且，傳統(tǒng)設計在考慮接觸問題時一般都是按照Hertz理論來進行計算分析的，這種理論方法在計算協(xié)調接觸時誤差很大，不適合軸孔連接結構的分析計算。
[0005]針對上述問題，目前尚未提出有效的解決方案。
[0006]本發(fā)明方法針對傳統(tǒng)軸孔連接結構，以改善軸孔連接結構的接觸特性、提高其承載能力為目的，提出了一種通過改變軸孔連接結構中孔接觸面的曲面形狀及優(yōu)化曲面參數(shù)，來降低連接結構最大接觸應力及其分布梯度的方法，從而使軸孔連接結構在承力時應力分布更加合理，接觸區(qū)最大應力明顯降低，大大提高了連接結構的承載能力。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明提出了一種提高軸孔連接結構承載能力的優(yōu)化設計方法，該方法改變了傳統(tǒng)軸孔連接中軸與孔截面都為圓形的慣例，從影響軸孔接觸區(qū)接觸應力大小的主要因素(接觸點數(shù)目及接觸點處的接觸曲率)出發(fā)，通過改變孔接觸面的曲面形狀及優(yōu)化其曲面參數(shù)，使得最初接觸點數(shù)目增多、接觸曲率得到優(yōu)化，從而使得外部載荷增加時軸孔的接觸順序從兩側逐步向中部擴展，增加了軸孔接觸區(qū)的分布面積，降低了最大接觸應力，進而大大提高了連接結構的承載能力。該方法可以指導整個連接件的設計過程，設計出更加合理、利用率更高的結構。
[0008]一種提高軸孔連接結構承載能力的優(yōu)化設計方法，包括以下幾個步驟:[0009]步驟一，建立連接結構的接觸應力分析模型，確定計算接觸應力理論解的方法；
[0010]計算得到接觸應力理論解，需要首先建立連接結構的數(shù)學分析模型。根據(jù)連接結構的基本幾何構型，基于連接結構承載時的傳力路徑，考慮軸孔本身的結構特點，建立結構的平面應變接觸模型。分析確定出Persson接觸理論計算所需要的配合精度數(shù)據(jù)后，利用數(shù)值分析方法進行理論求解，得到連接結構接觸區(qū)域的理論解。
[0011]步驟二，建立接觸優(yōu)化分析模型及優(yōu)化設計方法，通過設計分析，計算得到孔接觸面曲面參數(shù)的最優(yōu)解；
[0012]確定了軸孔接觸區(qū)域接觸應力的理論求解方法后，接著進行優(yōu)化分析模型和優(yōu)化分析方法的建立。平面優(yōu)化模型通過改變耳片孔接觸曲面的幾何參數(shù)，達到使接觸區(qū)接觸應力的最大值Pniax最小和優(yōu)化接觸區(qū)應力分布梯度的目的。
[0013]優(yōu)化模型可以表述為:
[0014]
【權利要求】
1.一種提高軸孔連接結構承載能力的設計方法，其特征在于，該方法改變了傳統(tǒng)軸孔連接中軸與孔截面都為圓形的慣例，從影響軸孔接觸區(qū)接觸應力大小的主要因素(接觸點數(shù)目及接觸點處的接觸曲率)出發(fā)，通過改變孔接觸面的曲面形狀及優(yōu)化其曲面參數(shù)，使得最初接觸點數(shù)目增多、接觸曲率得到優(yōu)化，從而使得外部載荷增加時軸孔的接觸順序從兩側逐步向中部擴展，增加了軸孔接觸面的分布面積，降低了最大接觸應力，進而大大提高了連接結構的承載能力。具體包括:軸孔連接結構接觸應力分析模型的建立及接觸應力的理論計算方法、接觸優(yōu)化設計模型及分析設計方法、誤差對比三個步驟，其中: 步驟一，建立連接結構的接觸應力分析模型，確定計算接觸應力理論解的方法； 計算得到接觸應力理論解，需要首先建立連接結構的數(shù)學分析模型。根據(jù)連接結構的基本幾何構型，基于連接結構承載時的傳力路徑，考慮軸孔本身的結構特點，建立結構的平面應變接觸模型。一般軸與孔的軸向尺寸相對較大，且受力基本沿軸向不變，故假定其所處應力狀態(tài)為平面應變狀態(tài)。 分析確定出Persson接觸理論計算所需要的配合精度數(shù)據(jù)后，利用數(shù)值分析方法進行理論求解，得到連接結構接觸區(qū)域的理論解。 確定基本尺寸，孔上偏差ES,軸下偏差ei,得到最大間隙 AR=ES-ei(I) 軸與孔在一接觸點處配合接觸，在軸心處作用一集中力P，設接觸區(qū)圓弧對應弧度為2ε，接觸區(qū)圓弧關于外力作用線對稱分布。 載荷系數(shù)與半角識之間的關系，如式(2 )
2.根據(jù)權利要求 1所述的提高軸孔連接結構承載能力的設計方法，其特征在于，將連接件接觸區(qū)域的接觸應力考慮到結構設計中。
3.根據(jù)權利要求1所述的提高軸孔連接結構承載能力的設計方法，其特征在于，提出了通過改變孔邊接觸 面的曲面形狀及優(yōu)化其曲面參數(shù)來優(yōu)化接觸區(qū)應力分布的方法。
【文檔編號】G06F17/50GK103838932SQ201410098846
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月17日 優(yōu)先權日:2014年3月17日
【發(fā)明者】何景武, 劉文章, 焦守榮, 嚴賢懷, 耿立超 申請人:北京航空航天大學