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机身柔顺对接装配及接触力分析方法摘要：飞机组装是飞机制造过程中的主要任务它是根据设计图纸、参数要求、技术标准和技术规定，根据飞机制造中的可互换性要求和尺寸协调原则，组装和连接飞机产品零部件的过程，目的是将零部件和整个设备形成一体飞机组装是一项综合、复杂、多学科和多学科的技术，对飞机产品的制造、生产周期和组装质量产生重大影响。
本文主要分析机身柔顺对接装配及接触力分析方法。
关键词：飞机装配；翼身对接；叉耳对接；柔顺装配；接触力建模引言飞机装配是飞机制造过程中的重要组成部分，涉及学科领域广泛、难度较大，是一项综合性制造技术。
其中，机翼装配精度要求高、配合件昂贵、装配难度大，精度要求在0.05mm以内。
传统机翼机身对接装配使用专用型架配合人工辅助的方式进行装配，由于人工操作误差、型架制造误差，机翼位姿精度难以保证，而机翼连接结构间隙狭小，装配过程中产品易发生变形、碰撞和磨损。
为了提高装配质量，目前主要有两种方式：（1）使用由数字测量系统、数字定位装置、控制系统组成的数字化调姿定位系统来提高调姿定位精度；（2）使用柔顺对接技术来平滑对接过程中的接触力。
但上述方式仍难以保证对接装配的顺利进行。
1、机翼装配数字化调姿及柔顺对接机构机翼结构形式多种多样，如边条翼、后掠机翼、前掠翼和三角翼等，翼身对接形式也不尽相同，如叉耳、轴孔和齿垫等形式。
为降低制造成本、提高装配效率，需要设计一种面向机翼对接装配的柔性工装，通过快速重构满足不同机型、不同连接形式的对接装配要求。
基于上述需求，浙江大学飞机数字化装配课题组设计了一种结合数字化调姿定位技术与柔顺对接技术的机翼数字化调姿对接系统。
该系统既可以满足机翼在各种小间隙连接形式中的低应力无损装配，又实现了调姿对接系统与装配部件“一对多”的模式，不再局限于特定机型、特定对接形式，充分体现了数字化、柔性化的装配理念。
2、机身结构分析与装配工艺设计机身是飞机的核心，通常结构与其他飞机相同。
电连接器常用接触件设计中的关键点徐斌(安费诺（常州）高端连接器有限公司，江苏常州213100)摘要：电连接器常用接触件的加工设计中，对可靠的接触性有着较高的要求，分析刚性插件、悬臂式插孔、线簧式插孔、冠簧式插 孔、爪簧式插孔的结构形式，及其应用在连接器中的设计要点。
关键词：电连接器;接触件设计;关键点中图分类号:V442 文献标识码：B D〇l:10.16621/j.c n k i.is s n l001-0599.2018.07.680引言电连接进行电与信号的传输，必须通过插合接触件来实现，如果接触件没有可靠的接触，连接件也就不具有电连接的意义。
电连接中的插针以及插孔组合，被称为接触件，是电连接器的核 心部分。
从电连接器常用接触件的制造工艺、选用思路、结构设 计等方面，对设计关键点做简要分析。
1电连接器常用接触件类型电连接器中使用比较广泛的类型：①刚性插针同悬臂式插 孔接触型;②刚性插针同线簧式插孔接触型;③刚性插针同冠簧 式插孔接触型;④刚性插针同爪簧式插孔接触型。
这4种接触件 同属刚性件同圆形弹性件互相接触类型。
2 4种类型接触件结构设计关键点2.1刚性插件从不同类型接触件使用的刚性差异分析，零件结构形式均 不复杂，设计中要考虑的问题是插针插合引导端结构，希望让插 合力不高，同时还要保证可靠的插合性，就要求插针的接触段表 面有极高的粗糙度，接触端尺寸精度臆0.03 m m，保证插针插合 端是直接圆角或者是锥形圆角，见图1。
这两种不同的结构，也 适合使用在不同类型接触件上，接触端直径逸2 m m使用直接 圆角，小于该值，一般建议用锥形圆角。
刚性插针应使用精密自 动形式的机械加工，才能保证尺寸精度和表面粗糙度满足要求。
2.2悬臂式插孔的选用和结构设计要点圆形电连接___-----_-----,器通常使用悬臂〈二二;.........................式插孔结构接触件，排列形状近似图1插针插合端锥形圆角于方形矩形的连接器中也有使用，但不会用在长条形矩形连接 器上，该类型接触件需要配合使用到22#规格之上接触件，不适 宜与小于该规格的接触件配合，使用寿命逸500次。
连接结构接触界面非线性力学建模研究王东;徐超;胡杰;万强;陈红永【摘要】The existence of complex multi-scale,multi-physics and nonlinear behaviors on joint interfaces is mainly response for the complex dynamics of assembled structures.Modeling for mechanical joint interfaces is also a challenging scientific problem,due to the complexity of interface behaviors and difficulties of direct experimental observation.Firstly,the multi-scale physics of contact surface is considered.The namely smooth surface is assumed as a rough surface covered with asperities with random height distribution.The micro-scale stick-slip physics of asperity contact is analyzed to conduct the relationship between the tangential load and deformation.The statistical theory of GW model is used to yield the formulation of total contact load of rough surface and verified by a comparison with published experimental results.Then,an improved Iwan constitutive model is proposed to describe the nonlinear behaviors of joint interface.The nonlinear behaviors calculated by the finite element analysis are used to identify the parameters of proposed Iwan model,and verified by a comparison with the results of finite element analysis.The results show that the total contact load of rough surface predicted by the proposed multi-scale model agrees very well with the experimental results at lower normal load.The nonlinear behaviors predicted by the proposed Iwan model also agree very well with finite element analysis.%连接界面上存在的跨尺度、多物理场和非线性行为是引起结构复杂非线性动力学的主要原因.由于连接界面的力学行为的复杂性,以及难以对连接界面进行直接试验观测,连接界面的力学建模一直是非常具有挑战性的科学问题.本文首先从分析结合面的跨尺度物理机理入手,将名义的光滑平面视作凹凸不平的粗糙面,考虑单个微凸体的黏滑摩擦行为,建立接触载荷与变形的非线性关系,然后采用GW(Greenwood and Williamson)模型数理统计方法建立整个粗糙界面的跨尺度力学模型,并与公开文献中试验结果进行对比.考虑连接界面具有典型非线性特征,提出一种改进的Iwan唯象模型,利用精细有限元方法获得非线性特征结果,采用系统辨识理论建立连接结构的降阶力学模型,并利用有限元结果进行模型验证.结果表明,本文提出的粗糙界面跨尺度模型在法向载荷较小时与试验结果吻合较好,改进的Iwan模型能够较好描述连接界面的非线性特征,并与有限元结果吻合较好.【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2018(050)001【总页数】14页(P44-57)【关键词】连接界面;跨尺度;黏滑摩擦;Iwan模型;降阶力学建模【作者】王东;徐超;胡杰;万强;陈红永【作者单位】中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳 621999;西北工业大学航天学院,西安 710072;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳 621999;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳 621999;中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳 621999【正文语种】中文【中图分类】O342引言大型武器装配结构中存在着多种形式的连接结构,如螺栓、楔环、铆接、过盈配合等.这些结构部组件之间主要是通过各种各样的连接界面传递载荷.连接界面上复杂的接触机理是造成结构出现复杂非线性动力学行为的主要原因[1-2].连接结构动力学问题就成为制约复杂结构动力学分析、高保真预测仿真、设计、优化和控制等问题的关键和瓶颈所在,而其核心问题是建立考虑连接界面非线性行为的力学模型[3-4].连接界面力学建模研究的主要挑战来源于由界面的非线性、时变性、不确定性等引起的跨尺度、多物理场等复杂力学行为,以及对连接界面直接试验观测的困难性[5].振动环境下,连接界面在法向发生接触、分离和碰撞; 在切向发生黏着、摩擦和滑动,这些力学行为都具有明显的非线性和跨尺度等特点.如,界面法向碰撞行为既可能发生在微观尺度上,也可能发生在宏观尺度上; 切向滑动行为既包括微观尺度的滑移,也包括宏观尺度的滑动,结合面微观滑移发生在微纳米尺度上,而宏观滑动则可能发生在毫米尺度以上.学者们通过试验和理论研究发现连接界面上的黏滑行为,表现为恢复力–位移的非线性软化以及迟滞非线性等特征[1-2,6-7].这些行为直接造成了刚度、阻尼的非线性.一方面,刚度随着变形增大而减小,体现为恢复力与位移的刚度非线性软化,且发生宏观滑移之后仍然存在滑移刚度; 另一方面,阻尼随着载荷而变化,表现为恢复力与能量耗散的幂级数特性[7].连接界面非线性力学行为的实验研究主要有两大类,一类是静态实验方法,利用准静态试验机进行静力试验,并结合数字图像处理技术方法开展研究工作[8].另一类是动态实验方法,采用共振实验原理研究典型连接界面的非线性力学行为[9-13].静力试验的主要缺点是分辨率低,实验结果容易被夹具的弹性变形掩盖; 而动态实验法的优点是分辨率高,但控制难度较大.Gaul等[12]对螺栓连接结构施加周期性激励作用,验证了激励力–位移的非线性软化刚度特征,并发现了随着切向载荷的增大,界面逐步从微观黏滑状态演化到宏观滑移状态.Sandia[13]针对螺栓连接结构展开了深入的研究,发现了连接界面的非线性刚度软化、迟滞非线性等特征.此外,学者们也有通过有限元方法得出位移和恢复力的非线性软化刚度特性,揭示连接界面上由微观滑移引起的刚度软化、迟滞非线性等行为[14-15].结构动力学问题中,传统上对于连接界面一般采用忽略非线性或采用等效线性化方法进行处理[1,5].等效线性化方法就是用线性的等效刚度和等效阻尼元件模拟连接界面,模型参数利用模态试验结果进行标定.该处理方法忽略了界面非线性的本质,常常出现在某种试验条件下标定的模型无法预测其他试验条件下结构动力学行为.因此,这些处理方法无法满足连接结构非线性动力学研究的需要.随着接触力学、摩擦学和塑性力学等学科的发展,人们开始从不同的角度考虑连接问题,建立了多种描述连接界面非线性行为的模型.第一类方法是基于唯象的数学模型,采用数据拟合的方法描述结合面上的黏滑摩擦行为[16-17].经典的模型主要有考虑黏滑特性的Iwan弹簧滑块模型[18-19]、Lugre 毛刷模型[20]、Valanis 模型等[20],如图1所示.以上模型都是根据连接界面上黏滑行为抽象出来的唯象数学模型,多数参数缺少真实的物理意义,难以描述表面粗糙度特征和接触机理对非线性行为的影响.相比于Lugre毛刷模型和Valanis模型,Iwan模型能够更好描述连接界面的微观黏滑演化过程,而且模型的部分参数具有一定的物理意义.Iwan模型是由弹簧和滑块组成的Jenkins单元串联或并联组成的弹簧滑块系统,通过引入概率密度函数描述Jenkins单元临界滑移力的分布特性,根据受力平衡方程建立恢复力–位移关系的唯象模型.Segalman[21]采用幂函数描述Iwan模型滑块临界滑移力分布,提出了一种描述连接界面刚度非线性的四参数模型,但模型不能描述宏观滑移后的剩余刚度.李一堃等[7,22]提出可以同时描述微观滑移阶段能量耗散幂次关系和宏观滑移阶段残余刚度现象的六参数Iwan 模型.Song 等[23-24]对 Iwan 模型并联一弹簧,描述连接界面发生滑移之后的刚度,提出一种修正的Iwan连接梁单元,这种单元可以直接应用到连接梁结构的有限元仿真程序中.图1 连接结构典型的“唯象”模型[20]Fig.1 Typical constitutive model for joints[20]第二类方法是考虑结合面上微观接触机理和粗糙度特征等进行建模.从实际接触表面是绝对粗糙的假设入手,首先分析界面微凸体的弹塑性接触变形和黏滑摩擦行为,再结合粗糙面形貌参数和数理统计分析方法推导出接触界面的非线性力学模型[25-26].相比于第一类方法,后者能够比较真实地反映结合面上的接触机理,也能够较好地表征粗糙度参数对黏滑行为的影响,而且模型的参数大多都具有明确的物理意义. 由于对摩擦机理的认识不充分,结合面切向建模的研究成果不多,研究者大都采用弹性接触理论和库仑摩擦关系进行研究[27-28].Mindlin等[29]基于经典的Hertz理论与局部库仑摩擦定律给出了弹性变形下切向力和相对位移的关系,将微凸体的滑移行为分为黏着和滑移.Phan-Thien[30]将GW模型和经典库仑摩擦定律相结合,导出了粗糙表面切向接触力学模型,该模型假设结合面切向临界滑移力为常数,并假设微凸体处于非黏即滑的状态,忽略界面滑动前的微观滑移现象,因而导出的切向力和相对位移为简单双线性关系.Jones[31]以GW模型为基础,给出了一种考虑微凸体微观滑移行为的结合面摩擦模型,该模型认为切向相对位移和法向变形与切向的恢复力都有关,并且当法向变形不变时切向恢复力和相对位移表现为线性关系.Farhang等[32]假设粗糙表面微凸体高度分布为正态函数,结合Mindlin解将切向恢复力转化为法向接触载荷进行计算,导出了界面切向位移和切向恢复力、界面能量耗散之间的关系,并采用级数展开的方法近似地研究了切向恢复力、相对位移、能量耗散之间的非线性关系.王东等[33]考虑单个微凸体黏滑行为和粗糙度为指数函数分布建立了一种考虑粗糙结合面黏滑摩擦行为的参数化力学模型.Paggi等[34]考虑单个微凸体弹性接触影响的局部滑移行为,基于幂函数的粗糙度分布函数研究了黏着区域对粗糙面滑移力和滑移刚度的影响.牛成超等[35]建立了基于微凸体弹性接触的粗糙表面摩擦模型,并利用该模型模拟心盘的摩擦行为.李玲等[36]考虑微凸体弹性接触,利用平均法建立了栓接结合部等效线性化刚度和阻尼模型.以上的模型都只考虑微凸体的弹性接触行为. 随着接触载荷的增大,界面上将可能出现塑性变形的微凸体[37].Fujimoto等[38]根据试验研究和理论分析给出了完全塑性变形情况下切向恢复力与相对位移的双线性关系,这为考虑接合面塑性变形影响的黏滑摩擦建模奠定了基础.Eriten等[39-40]考虑不同法向载荷下微凸体弹塑性变形对摩擦系数的影响,利用数理统计分析方法建立了粗糙界面跨尺度力学模型.王东等[41-42]建立了一种同时考虑微凸体弹、塑性变形影响的黏滑摩擦模型,但只考虑了完全弹性和完全塑性两种情况,忽略了弹塑性变形的影响.本文从连接结合面上单个微凸体的接触行为着手,建立考虑微凸体恢复力、变形或位移、能量耗散的非线性关系,然后采用数理统计分析的方法建立跨尺度力学模型,或采用赋予唯象模型参数物理意义的途径建立结合面降阶力学模型.针对整体装配结构中连接界面局部非线性特征,建立等效的降阶非线性力学模型.1 基于统计分析的跨尺度力学建模研究表明[26,31],两个粗糙表面间的接触可以等效为一个粗糙面与一个光滑面之间的接触问题,因此本文只考虑一粗糙表面与一理想刚性平面的接触问题.与GW模型基本假设类似,不考虑刚性平面的粗糙度,认为粗糙表面覆盖着高度随机分布的顶端为球截状的微凸体,微凸体的曲率半径相同,高度服从高斯分布,并假设微凸体之间变形互不耦合.如图2所示,R为微凸体曲率半径,z为微凸体的高度,d为刚性平面与微凸体平均高度平面间的距离,h为微凸体平均高度与粗糙面平均高度平面间的距离.刚性平面受到法向载荷与粗糙表面接触,微凸体将发生变形,其法向接触接近量为图2 粗糙结合面接触示意图Fig.2 Contact schematic of rough surface with multi-summits1.1 微凸体接触建模如图3所示,在法向载荷N的作用下,两球被压紧,形成接触半径为a的圆形区域,在接触区域内结合面的摩擦系数为f.受到切向载荷T的作用后,产生切向相对位移为δ.由于接触压力沿接触表面分布具有不均匀性,在接触区边缘发生滑移,并且随着切向载荷的增大,滑动区域不断向接触中心演化,在接触区域形成滑动区和黏着区两部分.图3中,中心黏着区的半径为 c,滑动区为宽度为 a – c,p 表示法向接触压力分布,q表示由于黏滑作用产生的切向力分布.图3 单个微凸体黏滑状态示意图Fig.3 Schematic of stick-slip zone for asperity contact经典Mindlin理论给出了弹性接触界面上接触压力和切向剪力的分布规律,以及切向载荷与相对变形之间的关系为式中,m表示与材料、接触特性等效相关参数集合,δ0为弹性微凸体发生宏观滑动时的切向相对变形式中,G 为等效剪切模量,G=G1/(2 – v1),G1 为微凸体材料剪切模量,v1为微凸体材料泊松比.Hertz弹性接触理论给出了法向接触变形与法向接触载荷、实际接触半径之间的关系为式中,E 为等效弹性模量为微凸体杨氏模量.将式(4)代入式(3),可得弹性微凸体发生宏观滑动时刻的切向相对变形为将式(4)和式(5)代入式(2),可以得到显含法向接近量的切向载荷和相对变形的关系式式(6)描述了在单向拉伸切向载荷作用下,切向恢复力与相对变形的关系.式中第一部分为黏着微凸体贡献的恢复力,而第二部分为滑移微凸体的贡献.在给定法向接触变形的情况下,随着切向变形的增大,切向恢复力也逐渐增大,直至滑移情况,描述了微凸体逐渐从黏着接触状态演化到完全滑动状态的演化过程.在周期性激励作用下,恢复力–相对变形的关系分为黏–黏 (stick-stick),黏–滑(stick-slip),滑–滑(slip-slip)三种状态,如图4所示.在周期性载荷作用下,微凸体在卸载过程中的恢复力可以表示为式中,临界切向滑移变形对应的法向接触变形为图4 黏–滑摩擦行为影响的迟滞曲线Fig.4 Hysteresis curve affected by stick-slip frictional由式(7)可知,微凸体恢复力满足Masing映射准则[1,13]单个微凸体接触的能量耗散满足1.2 粗糙面接触行为在粗糙表面法向接触问题中,GW模型假设微凸高度服从高斯随机分布,采用概率统计分析的方法建立了整个粗糙表面法向载荷与法向接触变形之间的关系.假设微凸体高度随机分布规律为高斯分布,其函数式为式中,σ为高斯分布方差.整个粗糙面上的切向接触载荷为将式(4)代入式(12),可得正则化之后的切向接触载荷定义为粗糙面同时受到切向和法向载荷作用,界面上微凸体的黏滑状态与切向变形和法向变形都有关,如图5所示.图5中,曲线上微凸体处于临界滑移状态; 曲线之上方的微凸体发生滑移,但是,法向接触变形增加将导致部分微凸体从滑移状态转化为黏着状态; 曲线之下方的微凸体都处于黏着状态.基于数理统计分析的方法,由式(7)计算整个粗糙面上卸载过程对应的切向恢复力为将式(12)代入式(15),可得同时,得到粗糙面在加载过程中的恢复力为由式(17)可知,粗糙界面恢复力也满足Masing映射准则.在一个循环加载过程中,单位周期的能量耗散可以表示为图5 粗糙面上黏着和滑移微凸体分布Fig.5 Distribution for stick and slip asperities of rough surface1.3 参数验证根据以上的推导过程,采用文献[42]中不同粗糙面参数预测切向恢复力,粗糙面参数与塑性指数关系如表1所示,预测的切向恢复力如图6所示.由图6可知,在微观黏滑阶段,随着切向变形增大,切向载荷曲线的斜率逐渐下降,表现为连接结构刚度的软化.由黏着作用产生的切向力先增大后减小,而由滑移产生的切向力逐渐增大,直到最后完全由滑移作用产生切向恢复力,表现为宏观滑移,那么连接结构产生切向力逐渐由黏着作用演化为滑移作用,能够较好反映连接结构的黏滑演化过程.随着塑性指数的增大,最大静摩擦力逐渐减小,量纲一化的滑动摩擦力接近于1,而连接界面上的摩擦系数满足由上式可知,微凸体局部库伦摩擦定律的摩擦系数等于粗糙面平均摩擦系数,那么对于微观尺度的摩擦定律在宏观尺度照样适用.表1 粗糙面特征参数和塑性指数关系Table 1 Surface properties and plasticity indexMaterial properties E=2.07 × 105,v1=v2=0.29,H=1.96 × 103 Roughness properties σ/R β ψ σ 1 0.000 160 0.033 9 0.7 0.822 5 2 0.000 302 0.041 4 1.0 0.884 9 3 0.000 658 0.047 6 1.5 0.914 3 4 0.001 144 0.054 1 2.0 0.934 3图6 塑性指数影响的切向恢复力与相对变形Fig.6 Tangential deformation versus total tangential load of rough surface with different plasticity index 由图7可知,切向接触载荷随着接触变形的增大而增大,但是曲线的斜率逐渐减小为0,表明界面刚度的非线性软化特征.随着平均接触距离的增大,相同的切向接触载荷将产生较小的接触变形.由式(13)可知,切向接触载荷由平均接触距离和切向变形共同决定的(d + ωs),当式 (13)给定切向接触载荷时,较大的平均接触距离将对应较小的切向变形.因此,在图中平均接触距离较大的曲线在接触距离较小之上,表现为更大的连接刚度,也更加容易进入宏观滑移阶段.由表 1 可知,塑性指数越大,σ 越大,切向接触载荷由(ω + d + ωs)/σ 决定,当式 (13)给定切向接触载荷时,较大的粗糙面参数使得 (ω + d)/σ 较小,将对应较大的切向变形.因此,在图中粗糙面参数较大的曲线在粗糙面参数较小之下.在周期循环加载过程中,恢复力与相对变形曲线围成区域的面积为单位周期的能量耗散,如图8所示.由式(13)、式(16)～式(18)计算相对变形与能量耗散的关系,如图9所示.由图9中能量耗散与切向变形幅值幂级数关系可知,随着塑性指数的增大,能量耗散的值偏低,这是由界面粗糙度增加造成的.界面粗糙度增大,塑性指数增大,临界接触接触变形减小,那么发生黏着的微凸体贡献将增大,造成能量耗散偏低,但是能量耗散与变形幅值的幂级数并不会减小,反而增大,因为黏着微凸体的幂级数是大于2的,而滑移微凸体的能量耗散那幂级数是等于2的.1.4 试验验证为了验证本文粗糙界面跨尺度建模方法正确性,将本文提出的模型与公开文献[40]中试验数据进行对比,文献中试验装置如图10所示,对比结果如图11所示.由图11可知,在法向界面接触载荷较小时,模型预测切向载荷与试验吻合较好,但是在接触载荷较大时,差异较大,最大的误差达到 100%,这种偏差是模型忽略了界面上塑性变形微凸体对切向载荷的贡献.在载荷较小时,界面上微凸体发生塑性变形较少,而在较大的界面接触载荷作用时,界面上的接触行为主要受到塑性变形的微凸体的影响.图7 粗糙面不同接触特征影响的切向恢复力与相对变形Fig.7 Tangential deformation versus total tangential load of rough surface affected by roughness parameters图8 迟滞曲线与能量耗散关系Fig.8 Relationship between hysteresis curve and energy dissipation图9 塑性指数对能量耗散的影响Fig.9 Energy dissipation versus total tangential deformation with different plasticity index图10 试验装置示意图[40]Fig.10 Profile of experimental equipment[40]2 基于唯象模型的降阶力学建模2.1 改进Iwan模型为了获得栓接结合部刚度软化的非线性特征[6-7,24],设计如图12(a)所示的搭接连接系统模型,模型中下连接件固定,上连接件考虑为一维运动的刚体.x,q分别为结合面的相对位移、对应的临界滑移力,连接界面的柔性采用Iwan模型进行描述.如图12(b)所示,Iwan模型采用n→∞个Jenkins单元并联组成的子系统描述结合面多尺度黏滑摩擦行为.考虑螺栓结构在发生宏观滑移后仍具有一定的刚度,所以再并联一个刚度kα=αk 的线性弹簧单元描述发生宏观滑动后的剩余刚度,如图13(a)所示.子系统中每个线性弹簧的刚度都为 ki=k/n,但每个滑块的临界滑移力qi并不相同.当系统切向受载时,临界滑移力小的滑块先发生滑动,随着相对位移增大,越来越多的滑块发生滑移,直至全部滑块都发生滑移,即结合界面出现了宏观滑动.因此,该模型能够复现连接界面上跨尺度黏滑摩擦过程.图11 与试验结果的对比Fig.11 Comparison of proposed model and experimental test under different normal contact load图12 搭接结构和 Iwan 模型Fig.12 Schematic of joint interface and Iwan model一种改进的Iwan模型被用来描述连接界面刚度非线性软化和能量耗散幂级数特性两个特征.与Song等[23-24]提出的改进Iwan相同,但是滑块临界滑移力的分布不是均匀的,采用一种指数形式的概率分布.图13 修正 Iwan 模型与迟滞曲线Fig.13 Schematic of modified Iwan model and hysteresis curve式中,fq为系统发生宏观滑动时对应的临界宏观滑移力,χ 为幂指数,χ < 0.滑块临界滑移的分布规律满足归“1”,即所有滑块的概率分布之和为1,概率分布函数的系数满足对处于初始平衡位置的Iwan模型受到单调载荷的情况,其恢复力的一般表达式为将式 (20)代入式 (22)中,可得上式中,第一部分为Jenkins单元贡献的连接恢复力,而第二部分为并联弹簧的贡献,αkx.对于式(23),如果参数χ=0,模型将退化为 Song 的修正Iwan 模型,当参数χ=–1 或 fq=0,模型都将退化为一线性模型,而此时的连接恢复力为为了使模型更加具有普适性,将式(23)改写为无量纲形式式中,r 为无量纲相对变形,r=x/xs.xs 宏观滑移变形,Fs 宏观滑移力,表示为对于式 (25),微观黏滑段 (r < 1)表达式与Segalman 四参数模型相同,当参数α=0 时,模型将退化为Segalman的四参数Iwan模型.本文模型在宏观滑移段(r > 1)描述的恢复力–变形存在非零的滑移刚度,而且本文提出的模型描述的恢复力–变形在黏滑过渡点 (r=1) 是光滑连续的,这也与Segalman四参数Iwan模型有所不同.根据式(25)可知,宏观滑移阶段的滑移刚度可以表示为在文献[1,13]中,并联 Jenkins 单元的 Iwan 模型是满足Masing映射准则的.在周期载荷作用下,将循环加载过程分为加载和卸载,根据加载激励的幅值,将两个过程恢复力定义为式中,x0为加载激励幅值对应的变形值,定义为将式(22)代入式(29)、式(30),可得再将式(20)、式(21)分别代入到式(32)、式 (33),可得与式(18)计算方法相同,恢复力–相对位移曲线的面积为单位周期的能量耗散.将式(34)和式(35)代入式(18)中,同时将能量耗散转化为无量纲形式.本文模型能量耗散的幂级数为(χ + 3),这与Song模型是不同的,Song模型的幂级数值为3.因此,由式 (25)和式 (36)可知,本文提出的修正Iwan模型是Segalman和Song模型的推广,即参数取特定值时,本文提出的模型将退化为Segalman 或 Song 的Iwan 模型.由这两式可知,恢复力和相对变形的关系可以由四参数{α,χ,xs,Fs}进行表示,本文提出的四参数可以描述连接界面刚度软化和能量耗散幂级数特征,这与文献[7,22]中六参数有所不同.参数xs为宏观滑移相对变形,由结合面材料属性、法向作用力、摩擦系数等决定. 参数Fs为宏观滑移恢复力,由结合面法向作用力和摩擦系数决定.参数χ决定能量耗散与切向相对位移的幂级数值,参数反映在周期激励作用下能量耗散和周期振荡作用力幅值(相对位移最大值)的幂级数特性,由结合面材料属性和接触条件决定.参数α为剩余刚度系数,决定发生宏观滑移的状态,参数反映切向宏观滑移力,由结合面法向作用力和摩擦系数决定.参数Fs和xs一起决定微观滑移向宏观滑移过渡的状态,以及振荡载荷作用下能量耗散的幅值特性,是反映切向黏滑过程的主要特征量一起决定微观滑移向宏观滑移过渡的状态,以及振荡载荷作用下能量耗散的幅值特性,是反映切向黏滑过程的主要特征量.由式(25)和式(36)可知,无量纲化恢复力和能量耗散只与参数α和χ有关.利用本文模型预测连接结构刚度软化和能量耗散幂级数特征,如图14所示,其中参数选取为: χ=–0.5,α=0.1,0.2,0.3,0.4.图14 改进 Iwan 模型参数验证结果Fig.14 Parameters investigation for proposed Iwan model由图14可知,剩余刚度系数越大预测宏观滑移阶段的滑移刚度越大,但在微观黏着阶段的刚度却更小.黏着阶段能量耗散与相对变形幅值的幂级数值为(χ + 3),在宏观滑移阶段斜率值有所下降.2.2 参数辨识方法由式 (25)、式 (29)、式 (30),可知,在周期载荷作用下,连接界面恢复力与相对变形的关系可由图15表示.图15 连接界面恢复力与相对变形Fig.15 Recycle force of joint interface for unloading and reloading process由图15可知,在单个循环周期内,恢复力和相对变形存在4个转折点,包括最大值、最小值点(x1,f1)/(x3,f3)和加载、卸载黏滑分界点 (x2,f2)/(x4,f4).加载和卸载阶段。
一种连接器插孔接触件的结构优化设计标题：连接器插孔接触件的结构优化设计与指导意义引言：连接器插孔接触件是现代电子设备中常用的关键部件之一，其质量与性能直接影响着连接器的稳定性和可靠性。
为了满足日益增长的电子设备需求，对连接器插孔接触件的结构进行优化设计具有重要意义。
本文将探讨一种生动、全面的优化设计方案，并探讨其具有的指导意义。
一、连接器插孔接触件常见问题分析连接器插孔接触件在长期使用过程中，常遇到以下问题：接触不良、连接不牢固、部件过热等，这些问题直接导致设备失效或性能下降。
因此，针对这些问题进行结构优化是非常必要的。
二、结构优化设计方案1. 材料选择选择高导电性能、抗氧化性强的材料，如铜合金、磷青铜等，以保证接触部件的导电性能和耐用性。
2. 接触点形状优化优化接触点形状，确保插拔过程中的稳定性和弹性。
常用的优化形状有球形、圆柱形和楔形等，结合具体应用场景选择最合适的形状。
3. 弹簧力设计根据应用需求确定接触部件所需的弹簧力大小。
合理调节弹簧力可以确保插孔与插头连接的紧密度，从而减少接触阻抗和电阻。
4. 表面处理技术采用表面处理技术，如镀金、镀银等，可以提高接触件的导电性能、耐腐蚀性和耐磨性，从而延长连接器的使用寿命。
三、优化设计方案的指导意义1. 提升连接器稳定性和可靠性优化设计方案可以显著提升连接器插孔接触件的稳定性和可靠性，降低故障率，从而提高设备的稳定性和性能。
2. 增强连接器的适应性根据实际需求进行结构优化设计，使连接器插孔接触件更加适应不同的应用场景，提高其通用性和适用性。
3. 提高生产效率优化设计方案可以降低生产成本，减少生产过程中的人工干预，提高生产效率和产品质量。
结论：通过对连接器插孔接触件的结构进行优化设计，可以显著提升连接器的稳定性和可靠性，增强其适应性，并提高生产效率。
这种设计方案在实际应用中具有重要的指导意义，为电子设备的稳定运行提供了有力保障。
《基于ANSYS软件的接触问题分析及在工程中的应用》篇一一、引言随着现代工程技术的快速发展，接触问题在各种工程领域中变得越来越重要。
ANSYS软件作为一款强大的工程仿真软件，其在接触问题上的分析和处理能力得到了广泛应用。
本文将介绍基于ANSYS软件的接触问题分析及在工程中的应用。
二、ANSYS软件接触问题分析1. 接触问题基本理论接触问题是一种典型的非线性问题，涉及到两个或多个物体在力、热、电等作用下的相互作用。
在ANSYS中，接触问题主要通过定义接触对、设置接触面参数、定义接触刚度等方式进行模拟。
2. ANSYS软件接触问题处理流程（1）建立模型：在ANSYS中建立涉及接触问题的物理模型。
（2）定义材料属性：设置模型中各部分的材料属性，包括弹性模量、密度、泊松比等。
（3）划分网格：对模型进行网格划分，以便更好地进行后续的数值分析和计算。
（4）定义接触对：根据实际需求，定义接触对，并设置相应的接触面参数。
（5）求解设置：设置求解器、求解参数等。
（6）结果分析：对求解结果进行分析，包括应力分布、位移变化等。
三、ANSYS软件在工程中的应用1. 机械工程领域在机械工程领域，ANSYS软件被广泛应用于分析各种机械零件的接触问题。
例如，齿轮传动中齿轮与齿轮之间的接触问题、轴承中滚动体与内外圈的接触问题等。
通过ANSYS软件的分析，可以有效地预测机械零件的应力分布、疲劳寿命等，为机械产品的设计和优化提供有力支持。
2. 土木工程领域在土木工程领域，ANSYS软件被广泛应用于分析土与结构之间的接触问题。
例如，桥梁、大坝等结构物与地基之间的相互作用、地震作用下建筑结构的动力响应等。
通过ANSYS软件的分析，可以有效地评估结构的稳定性和安全性，为土木工程的设计和施工提供有力支持。
3. 汽车工程领域在汽车工程领域，ANSYS软件被广泛应用于分析汽车零部件的接触问题。
例如，汽车发动机的缸体与缸盖之间的密封问题、汽车轮胎与地面的摩擦问题等。
