توسعه‌ي يك الگوي جديد براي به‌روزرساني مدل المان محدود اتصالات پيچي و مقايسه كارآيي آن با رويكرد لايه واسط

A New Approach for Finite Element Model Updating of Bolted Joints and Comparison with Interface Layer Method

در اين مقاله‏‌، الگوي جديدي تحت عنوان لايه رابط براي شبيه‌سازي رفتار ديناميك خطي اتصالات پيچي و به‌روزرساني مدل المان محدود آنها در حالت سه‌بعدي ارايه شده است. لايه رابط، نواحي مجاور در طرفين سطوح مشترك اتصال در زيرسازه‌ها را يكپارچه‌سازي كرده و روابط ساختاري المان‌هاي آن با مولفه‌هاي نرمال و برشي تعريف شده است. در ادامه خواص الاستيك نامعلوم و متفاوتي از المان‌هاي سه‌بعدي مجاور به آن‌ها نسبت داده شده و پارامتر(هاي) نامعلوم مدل با فرايند به‌روزرساني با استفاده از نتايج آزمون مودال شناسايي مي‌شوند. تحريك سازه و اندازه‌گيري تابع پاسخ فركانسي آن با استفاده از روش تحريك با چكش صورت گرفته است. با استفاده از يك الگوريتم بهينه‌سازي در نرم‌افزار اَنسيس، اختلاف بين فركانس‌هاي طبيعي حاصل از آزمون و پيش‌بيني شده با مدل پارامتري، به عنوان تابع هدف كمينه شده است. كارآيي مدل لايه رابط با اعمال آن به يك سازه واقعي متشكل از دو تير آلومينيومي مشابه از جنس آلياژ 7075-T651 و مقايسه نتايج آن با نتايج حاصل از مدل متداول لايه واسط اثبات شده است. نتايج حاصل از مدل ارايه شده انطباق بسيار خوبي با فركانس‌هاي تجربي متناظر دارد. پيش‌بيني‌ اين مدل براي فركانس‌هاي بالاتر كه در فرايند به روزرساني مشاركتي ندارند، در مقايسه با نتايج حاصل از مدل المان واسط داراي خطاي كمتري است. به دليل سادگي، دقت و سرعت در محاسبات، اين مدل را مي‌توان در شبيه‌سازي اتصالات پيچي در سازه‌هاي بزرگ و پيچيده با نرم‌افزارهاي المان محدود تجاري به كار گرفت.

In this paper, a new model called connective layer is developed for simulation of linear dynamical behavior of bolted lap joints and model updating in 3D models. Connective layer unifies neighboring zones on sides of common surfaces of substructures in joint region. The constitutive relation of connective elements is defined by decomposing it into its normal and shear components. Unknown and different elastic properties with respect to the neighboring solid elements are defined for connective layer and the unknown parameters of the model are identified by a finite element model updating technique using modal test data. The frequency response of the structure is measured by exciting the structure using an impact hammer. Using an optimization algorithm in ANSYS, the difference between the experimentally measured frequencies and the predictions of the parametric model is minimized as objective function. The connective element performance is demonstrated by application to an actual structure containing a single lap bolted joint coupling two identical aluminum alloy 7075-T651 beams and, finally, comparison of results to those of interface elements. The outcomes of presented model have good correlation with the experimental results. The proposed method predicts the higher mode frequencies which do not participate in model updating process with minimum error in comparison to those of interface element. Due to simplicity, accurate and computationally efficient manner, this model can be incorporated into commercial finite element codes to simulate bolted joints in large and complex structures.