非线性弹性材料在多层圆柱结构中接触预紧作用的模拟

    1　引言

    在复杂组合结构体中,一些部位的设计采用接触预紧来固定结构之间的相对位置,利用变形协调,使结构之的预紧力按照一定的比例分配。然而实际上内部预紧力的大小和分布更为复杂,它与结构的整体刚度、结合部位的局部刚度、过盈配合间隙、温度变化以及材料的蠕变和松弛等因素有关,还与外力和预紧力的耦合效应及各层变形差异使结构预紧力再分配有关[1]。本文对圆柱形双层金属结构由橡胶垫层非线性大变形产生的预紧过程进行了力学实验和数值模拟。对预紧后的模型又施加一个中心集中力,以得到预紧后结构受外力松弛的状况。由于金属层与橡胶垫层的刚性有很大差异,并存在相互多点接触和界面摩擦,必须充分考虑材料的非线性和几何的非线性,有时还存在边界条件的非线性[2]。在预紧过程中,随着组合结构的不断变形,各个接触面也不断发生改变,从而又影响到组合结构的整体刚度和强度。充分考虑上述因素,在数值计算模型建立中,接触面采用直接约束模型,摩擦力的模拟选用库仑摩擦模型,预紧力的施加与力学实验模型相同,利用两个金属半圆环逐步压紧橡胶材料。

    在数值计算模型的建立过程中,重点论述了与试验结果做比较的二维平面应力计算模型。二维模型计算规模较小,有利于在接触区将网格细化,减小畸变和不收敛的可能性,提高了计算精度。计算结果和试验结果有较好的一致性,说明所选取的材料非线性弹性大变形本构模型和边界条件以及基本假设是合理的。计算程序采用具有良好非线性结构力学分析功能的arc程序。

    2　力学实验模型

    2.1　实验装置和试验过程

    试件由铝制内环、钢制外环和高弹性橡胶组成,其中外环由上半环和下半环两部分构成,半环两侧有附加装配孔,用螺栓可将两个半圆环构成完整外环(图1)。内环外直径为178 mm,厚度20 mm;外环内直径为180 mm,厚度20 mm。内外环之间放置5块20 mm×5 mm×5 mm的橡胶垫层。当外环由螺栓预紧后,橡胶垫层的厚度由5 mm压缩到接近1 mm,形成弹性非线性大变形。同时橡胶垫层与内外圆环间的变形协调作用产生试件的预紧内力。

    试验在静态拉伸试验机上进行,两个承力螺柱固定在试验机的下平台上,在螺柱上贴有应变计。首先对螺柱进行受力标定,试验机通过夹具拉住螺柱两端以施加载荷,得到拉力和贴片处变形的对应关系,以此来标定预紧试验中螺柱的装配预紧力。预紧试验是通过手动扳手对装配螺柱施加载荷,用标定值来确定装配预紧的大小。预紧试验做完后,保持预紧部分不变,通过夹具对内环中心部位施加向上的拉力模拟集中力载荷。在增加集中力载荷的过程中,分析橡胶垫层受力形状的变化状态。