应力波在变截面杆中传播的数值分析

1998-04-17收到,1998-06-05收到修改稿航空科学基金(97H53097)资助课题应力波在变截面杆中传播的数值分析曹增强　佘公藩(西北工业大学飞行器制造工程系,西安,710072)周听清(中国科技大学近代力学系,合肥,230026)NUMERICAL ANALYSES OF STRESS WAVE PROPAGATIONIN A VARIABLE SECTION BARCao Zengqiang,She Gongfan(Depar tment of A ir craft M anufa ct ur e Engineer ing ,N or thwester n Po ly technical U niv ersit y ,Xi ′an ,710072)Zhou T ing qing(Depart ment of M o der n M echanics,U niver sity of Science and T echnolo gy of China,Hefei,230026)摘　要　利用HON DO 有限元程序对应力波在变截面杆中的传播进行了分析。

根据分析结果提出采用有台阶的锥形调制器取代现有调制器可以解决手提式铆枪过重的问题。

有台阶的调制器对应力透射波的放大效果不会有明显变化,但可减轻重量50%以上。

同时利用该程序对应力波在不同几何构形的调制器中的传播进行了对比分析,根据输出波形的质量对应力波调制器的几何尺寸进行了优化设计,提出了锥体的底角和直径范围。

关键词　应力波　调制器　有限元中图分类号　O 347.4,O 242.21Abstract T he paper analyses the str ess w av e pr opagat ing in a var iable sectio n bar using HO N-DO finite element co mput er pro gr am .It is sho w n that t he present str ess w ave focussing means of electr omag netic riveter should be r eplaced by the fo cussing means w ith flig ht o f steps,and its stress w ave amplification rat e is similar to that of the pr esent focussing means .T he analysis re-sults of str ess w ave pr opagat ion in different size focussing means g iv e o ut mor e r easonable g eo-metr ic pa ramet er s ,the botto m ang le o f the cone sho uld be mor e than 45°,and t he rat e of the diameter of flig ht of steps to t he diamet er o f co ne sho uld be g r eater t ha n 5:2.Key words str ess w av es ,focussing means ,finite elem ent 弹性波在横截面收缩杆中传播时强度会增强,许多设计中都利用这一原理采用了变截面结构,一个典型应用就是电磁铆枪中的锥形调制器[1],也称应力波放大器,以放大输入波,增大铆接力。

王礼立等人在一维假定下利用特征线法对应力波在锥形调制器中的传播特性进行了理论分析,但与实验结果相比,在透射波峰值附近相差较大,估计是忽略了横向惯性效应,采用了一维应力波近似理论的结果[2]。

周光泉等人采用有限元方法对应力波在锥形调制器中的传播特性进行了二维数值分析[3],计算结果与实测波形相比,其一致性较之一维特征线计算结果有所提高。

但文献[3]中固定假设锥体大径和小径之比为3,这与电磁铆枪的实际情况不符,限制了计算结果的推广应用。

另外,文献[3]中所采用锥形调制器只适合固定第19卷　第6期1998年　11月 航　空　学　报A CT A A ERO N AU T ICA ET A ST R ON A U T I CA SIN ICA V o l.19No.6No v.1998力波调制器的几何构形将决定其对应力波的放大效果,对电磁铆接的效率有较大影响。

本文参照电磁铆枪的实际结构利用HONDO 有限元程序对应力波在变截面杆中的传播特性进行了分析,以对应力波的放大效果为依据,对不同几何构形的锥形调制器进行了分析比较,就其几何参数进行了优化设计。

图1　电磁铆枪应力波调制器1　锥形调制器的物理模型电磁铆枪的应力波调制器是一典型的变截面杆,其几何形状如图1所示。

当应力波由大截面传入小截面时,入射波将发生反射和透射,反射波的应力和入射波的应力异号,但透射波却强于入射波。

锥形杆可近似看做具有一系列截面积间断的阶梯杆,当一压缩脉冲从锥底向锥顶右行传播时,每通过一截面间断面,透射压缩波将增强2A n /(A n +A n +1)倍(A n 和A n +1为相邻两间断面的截面积)[4]。

电磁铆枪的放电线圈尺寸是应力波调制器几何设计的主要依据,当其外径确定后,应力波调制器的大端直径D 和小端直径d 就可确定。

大端直径一般与线圈外径相同,小端直径根据铆卡的尺寸取20mm 左右。

如西北工业大学研制的我国第一台固定式电磁铆接设备的放电线圈的外径为140mm ,则D 也选为140mm ,d 为20m m 。

文献[3]中调制器的D ∶D ′=1∶1,其放大效果可满足使用要求,但重量太大,不适合手提式铆枪。

要减轻重量,根据铆枪的使用要求,只能缩小锥形部分的尺寸,为此可使D ∶D ′<1。

D ′和 须根据调制器对应力波的放大倍数和输出波形来选择确定。

对应力波在调制器中传播进行数值分析的主要目的就是指导工程应用时选择合适的D ′和 。

Z /cm 图2　计算模型简图2　计算模型HONDO 是第1个用有限元方法编成的有关波传播的大型编码程序[3,5]。

由于问题为轴对称,只需研究调制器的一半,采用4节点等参数四边形单元进行离散。

取计算的结构模型如图2所示。

现有调制器(A 型)和根据手提式电磁铆枪的实际结构新设计的调制器(B 型)的几何尺寸分别见表1,材料的性能参数为:材料的弹性模量E =2×105MPa,泊松比 =0.3。

对两种调制器分别划分了300和309个四边形网格,361和360个节点进行计算。

表1　调制器的几何尺寸/mm型号D d D ′L 1L 2L 3A14020140105535B 14020701225633　计算结果输入到调制器的压力波为正弦衰减波,根据现有电磁铆接设备的电容和电感可计算出其半波周期为0.85ms 。

铆钉的变形主要由第1个半波完成,假定其峰值应力为单位应力,以第6期曹增强等:应力波在变截面杆中传播的数值分析图3　调制器输出端应力时程曲线此作为输入应力计算的调制器输出端应力时程曲线如图3所示,实线为A 型调制器的计算结果;虚线为有台阶的B 型调制器的计算结果(输出应力值实际系输入应力的倍数,下同)。

为分析调制器底角 对应力波传播的影响,利用HONDO 有限元程序对应力波在有不同底角的调制器中的传播进行分析,计算模型和输入波仍如前所述。

当 为45°时输出应力比较稳定,图4(a )为474 s 时调制器各截面处输出应力图; 为30°时输出应力不稳定,图4(b)为12.7 s时调制器各截面处输出应力图。

图4　不同底角调制器各截面处输出应力(a )474 s 时;(b )12.7 s 时为分析台阶直径与锥体底径之比对应力波传播的影响,选定D ′=70,d =20,L 1=12,L 2=40,L 3=48,=58°,分别对D ∶D ′=1∶1,D ∶D ′=3∶2,D ∶D ′=2∶1,D ∶D ′=5∶2和D ∶D ′=3∶1这5种情况下应力波的传播进行了有限元分析,所得输出端的应力时程曲线如图5所示。

712航　空　学　报第19卷图5　输出端应力时程曲线(a)D/D′=1/1;(b)=D/D′=3/2;(c)=D/D′=2/1;(d)=D/d′=5/2;(e)D/D′=3/14　分析及讨论从图3可以看出,两种调制器的放大倍数和输出的波形基本相同。

因而从放大效果来看,重量较小的有台阶的调制器可代替原有调制器,减轻重量50%以上。

从图4可以看出,当 为45°时,应力在调制器小端直杆部分比较稳定,只在小端直杆和锥形体相接部位应力有较小变化;当 为30°时,应力分布不稳定,传播到12.7 s时就出现了拉应力,而拉应力的出现容易导致调制器的损坏。

这是由于当锥形体的底角小于45°时,入射的应力波将经锥面反射到锥底,与输出波的方向相反,并进行叠加继续反射和透射;当底角大于45°时,入射的应力波经锥面反射后总是正向。

因此,要使应力分布比较稳定而不出现拉应力, 必须大于45°。

图5中 为58°的输出波形也证明了这一点。

从图5可以看出,D∶D′=1∶1时,输出的波形虽然有所起伏但对称性较好,波的上端部出现了双峰,这实际上延长了最大铆接力的持续时间,有利于铆钉的变形,整个脉宽与输入波的脉宽相当,总体的波形与输入的波形相近,但这种调制器的重量偏大;D∶D′=3∶2时,输出端的应力波形与D∶D′=1∶1时的波形相近,只是没有出现双峰;D∶D′=2∶1时,输出的波形也与D∶D′=1∶1时的波形近似,因而这种结构的调制器也是合理的;D∶D′=5∶2时,输出的波形是一条形状比较光滑的与输入时程曲线非常相近的曲线,但输出波的脉宽变窄,这不利于铆钉的变形,铆接效率低,因而在结构允许的情况下最好不采用这种结构;D∶D′=3∶1时,输出的波形不但脉宽变窄,况且波峰滞后,波尾还出现了作用时间较长的拉应力,该拉应力将导致铆枪后坐力的增大,也容易导致调制器的破坏,因而不能采用这种结构。

随着D∶D′的减小,输出端应力峰值增大,这是由于调制器放大倍数增大的缘故。

从以上分析可以看出,在设计调制器时,D∶D′必须大于5∶2,以2∶1较为合理。

5　实验结果及结论为验证理论分析结果,对几何尺寸如表1所示的两种应力波调制器输出端的应力进行了实测,采用图6所示测量系统。

测量过程中更换铆枪的应力波调制器。