接触刚度和阻尼是影响螺栓连接结构动力学的基本参数,当考虑螺栓连接结构微观接触、冲击载荷和微滑移时,实际螺栓连接的装配系统动力学建模将更加复杂。以往复泵缸体为代表的螺栓装配系统,由于缸盖整圈螺栓装配工艺不合理、泵内冲击载荷大等原因,常导致个别螺栓断裂或局部某些螺栓松脱,引起密封泄露等故障。本文尝试从接触理论、有限元仿真和实验三个方面探索建立接触阻尼和刚度模型,并将其应用于螺栓连接结构动力学特性分析,进而尝试探索往复泵缸盖整圈螺栓装配工艺和冲击动力学响应。具体包括:(1)粗糙表面法向接触阻尼分析。基于经典接触力学理论,引入动态扰动载荷,分析接触面在不同预压力下的能量损耗特性;在不考虑微凸体相互作用的基础上建立法向接触阻尼解析计算模型,获得了激振频率、法向相对位移幅值以及静态载荷对接触阻尼的影响规律。由于从微观接触角度获得的法向接触阻尼在接触面接触阻尼占比较小,尚不能直接用于结构响应的研究,因此考虑从宏观角度进行接触阻尼识别。(2)螺栓连接结构固有特性和动态响应试验研究。搭建单螺栓连接结构实验台,进行模态及动力学响应实验,通过改变螺栓预紧力,测试结构的前三阶模态频率、振型,一阶阻尼比、一阶共振幅值,为后续通过固有频率和动态响应实现接触刚度和阻尼的识别提供试验数据。(3)基于薄层单元的螺栓连接结构动力学仿真及接触刚度与阻尼识别。针对单螺栓连接结构,通过薄层单元模拟接触面刚度与阻尼,开展结构固有特性和动态响应仿真;构建响应与固有频率测试与仿真结果的误差函数实现接触阻尼和接触刚度的识别,并评估了接触阻尼的识别误差。为复杂螺栓组接触建模的工程应用提供了简化模型。(4)从螺栓组的弹性相互作用角度建立了含缸盖、缸体以及螺栓的有限元模型,研究了螺栓的装配工艺及密封垫片对缸盖接触应力分布的影响,获得螺栓残余预紧力的分布规律及结合面的应力分布。将包含接触刚度和阻尼的薄层单元应用到螺栓组连接的缸盖接触面中,建立螺栓连接的往复泵缸体动力学模型,通过响应仿真发现,在波动压力下接触面响应位移最大,提高接触阻尼可以抑制往复泵缸体在冲击压力下的响应振幅。(5)研究结果为接触刚度和阻尼的“同时”识别提供了一种行之有效的方法,所识别的刚度和阻尼可以以合适的薄层单元形式,直接应用到包含多接触面的装配体动力学分析中。