基于接触表面非均匀压强分布的栓接结合部动力学模型

针对栓接结合部在多螺栓耦合作用下接触表面压强不均匀分布的特点,提出基于接触表面非均匀压强分布的栓接结合部动力学模型。假设栓接接触表面在宏观尺度上为平滑表面,基于有限元方法获得表面压强分布规律。栓接表面微观尺度上为粗糙表面,采用分形接触理论,建立基于表面接触压强的栓接结合部法向和切向刚度阻尼模型。构建框型栓接结构件实验装置,并通过模态测试获得栓接结构件在不同预紧力下的固有频率和频响函数。与仿真结果进行对比,所提出的模型能够准确描述栓接结合部动态特性。     

基于多尺度理论的栓接结合部动力学建模

建立准确的栓接结合部接触刚度模型对预测数控机床的动态特性至关重要。本文提出了一种基于多尺度理论的栓接结合部刚度模型,首先使用一系列叠加的三维正弦波来描述粗糙接触表面多尺度特性,每个正弦波被认为是一层频率级,推导出接触面积比与频率级的函数关系,则整体刚度可以看作不同频率级串联的弹簧模型。然后,通过数值仿真分析了结合面法向接触载荷、材料特性参数以及多尺度参数对接触刚度模型的影响。最后,设计分段梁结构进行试验验证本文模型的准确性,通过力锤敲击试验获得栓接结合部在等同预紧力下的固有频率和振型,并与仿真结果对比,结果表明本文多尺度模型固有频率与试验频率之间的相对误差小于9.94%,表明多尺度模型可以有效地预测数控机床的动态特性。     

基于ANSYS带预紧力拉杆转子模态分析

现代大型燃气轮机转子多以拉杆转子为主,拉杆转子轮盘之间接触摩擦以及拉杆预紧力等都对转子动力学特性产生影响.根据拉杆转子的结构特点,在有限元软件ANSYS中建立接触模型,考虑接触面以及拉杆预紧力的影响,对拉杆转子进行模态分析,得到其固有频率和振型.通过分析发现,拉杆转子随着预紧力的增大,其整体刚度和固有频率都有所提高.预紧力较小时固有频率上升速度快,随着预紧力的增加,固有频率上升速度缓慢.     

预紧力对滚柱直线导轨副刚度特性影响的研究

滚柱直线导轨副是数控机床的重要功能部件,研究预紧力对其刚度特性的影响,是对机床进行准确动态优化设计和振动控制的重要基础。文章建立了导轨副的刚度模型,利用ANSYS Workbench仿真了不同预紧力下的滚柱直线导轨副,得到了其在不同预紧力下弹性变形量和各阶固有频率,分析了预紧力对滚柱直线导轨副刚度特性的影响规律,并通过不同预紧力对导轨静刚度的影响进行实验分析和模态分析,验证了仿真方案。结果表明:对滚柱直线导轨副合理施加预紧力,可以显著地提高滚柱直线导轨副的静刚度,增加滚柱直线导轨副的承载能力;滚柱直线导轨副的预紧力增大时,各阶固有频率相应增大,而持续增大预紧力时,滚柱直线导轨副的固有频率变化明显变小。     

全陶瓷主轴-轴承单元的动力学研究

目的研究全陶瓷电主轴预紧力与固有频率的关系,为优化预紧力提供软件分析模型.方法应用赫兹理论计算出在全陶瓷角接触球轴承预紧后的接触应力,接触变形和静接触刚度的数值解,同时在改进传统的弹簧阻尼式主轴动力学软件仿真分析模型的基础上,计及轴承预紧后轴承的静接触刚度,以全陶瓷主轴-轴承单元为研究对象进行有限元结构分析,所得结果通过赫兹计算分析的数值解矫正,分析其动力学特性.结果全陶瓷主轴-轴承单元模型通过模态分析所得三阶固有频率和振型与模态实验分别相差19.59%、1.27%、16.06%;而电主轴传统分析模型所得三阶固有频率和振型与锤击实验分别相差24.39%、14.47%、33.78%.结论通过实验数据验证,全陶瓷主轴-轴承单元模型在分析全陶瓷电主轴动力学特性上更接近模态实验的结果,能够得到更为准确的固有频率和振型.     

基于响应面法的机床螺栓结合部刚度辨识与动力学建模

为了研究结合部刚度参数间的耦合关系对机床结合部动态性能的影响,基于响应面函数的选型建立了广义模态固有频率与结合部动刚度耦合和非耦合的函数模型。响应面函数辨识法以结合部模态固有频率这一关键动力学性能为指标,研究了结合部动态特性与结合部刚度参数的数学关系。基于结合部单、双对节点有限元建模方式,结合中心复合实验设计方案和响应面方法理论,分别对两种建模方式建立响应面函数辨识模型。以响应函数模型的响应值与实验测得值的最小二乘法为优化目标,结合非线性规划与遗传算法实现结合部刚度参数的辨识。其中通过响应面函数二次多项式的选型显现多对节点间的刚度耦合关系,揭示了参数间的耦合关系对结合部动力学的影响。为验证此理论和方法的可靠性,以一螺栓结合部为研究对象,制定有限元动力学仿真分析的实验设计方案和采集了刚度组合点,并计算每一组采样点的前11阶模态固有频率。以有限元分析的数据为基础,建立反映螺栓结合部刚度间耦合关系的2次多项式响应面函数,并通过计算响应面模型质量评价指标验证了该模型的有效性。对比分析多刚度耦合、不耦合和单刚度的有限元模型预测精度,结果显示,多刚度耦合的有限元模型在固有频率、振型方面均具有较好预测效果,前11阶模态固有频率平均误差仅为1.6%,论证了考虑刚度间耦合关系的必要性和方法的可行性。     

VDF850数控机床主轴动态特性分析

基于VDF850数控机床主轴单元的动态特性,采用弹簧模拟主轴—轴承结合面的弹性支承,建立主轴单元动力学分析的有限元模型。利用有限元仿真软件ANSYS对主轴进行模态和谐响应分析,研究主轴固有频率和预紧力的映射关系,获得切削力激励主轴单元的频率响应特性。结果表明:主轴单元固有频率随预紧力的增加略有增大;主轴的一阶临界转速远大于最高转速8 000 r/min;主轴单元的动力学特性较好。     

月基二维转台轴承预紧力和系统刚度计算

为了研究在转台结构形式确定的情况下,轴承预紧力与系统刚度的关系,分析了轴承预紧力、轴承刚度和轴系刚度之间的关系,推导了轴承预紧力与轴系固有频率之间的计算公式,并通过有限元分析的方法获得了轴承预紧力与系统固有频率的关系曲线。通过对二维转台固有频率的测试,验证了该方法的正确性,同时为轴承最佳预紧力的确定提供了一个有效的方法。     

基于子结构综合法的螺栓结合部切向动刚度优化辨识

针对基于频响函数辨识螺栓结合部等效动力学参数时出现的由于噪声信号等引起的不适定问题,提出优化辨识方法,以获取准确的等效动力学参数。忽略结合部非线性特性及耦合效应,将螺栓结合部等效为弹簧阻尼单元,利用子结构综合法建立螺栓结合部切向动刚度辨识方程式。通过LMS噪声、振动测试系统对试件进行激振实验,获取辨识所需频响函数。根据同时获得的相干函数对频响函数进行筛选,以消除噪声信号对辨识精度的影响,基于最小二乘的思想优化辨识出螺栓结合部切向动刚度。最后将辨识结果代入有限元模型中进行谐响应分析,通过实测频响函数与仿真频响函对比分析,结果表明本文所提螺栓结合部切向动刚度优化辨识方法具有较好的辨识效果。     

基于模态联合仿真寻优法的机床刀具结合部参数辨识方法

为保证机床加工时的切削稳定性,获得准确的稳定性叶瓣图（切削速度-切削深度关系图）,需要得到机床刀具刀尖点的频率响应函数（FRF）。刀尖在加工时处于旋转状态,无法通过粘贴式传感器直接获取其频率响应函数。针对这一问题,提出了通过准确辨识刀柄结合部间动力学参数来预测刀尖频响。为实现刀柄结合部的动态参数识别,提出了基于模态分析理论的联合仿真寻优法的辨识方法。该方法通过均布弹簧-阻尼单元模拟结合部接触特性,以模态实验测得前2阶模态固有频率及其对应的振幅为目标约束,以结合部间的刚度和阻尼为变量进行有限元分析,采用最小二乘法构建二者的多目标优化函数,并在MATLAB-ANSYS集成环境下建立非线性规划函数寻优任务实现结合部动力学参数的辨识。为了提高辨识效率减少调用有限元分析的次数,采用了样本点构造的方法;为了避免因采样点选取不合理而造成计算量增加,采用了采样区间归一化的处理方式。最后,将优化识别结果通过弹簧单元指令代入有限元模型进行谐响应分析来预测刀尖FRF,对比有限元仿真与模态试验对应测点的频响数据。结果表明,二者的频率响应函数曲线拟合度较高,且前2阶的固有频率误差分别仅为0和0.04%。验证了该方法的可行性,为进一步获得稳定叶瓣图提供支持。     

新型装配式剪力墙水平连接装置的力学性能

装配式剪力墙结构连接节点/水平接缝的力学性能对装配式结构起着至关重要的作用,为了提高装配式剪力墙结构的抗震性能,本文结合消能减震技术设计研发了一种新型装配式剪力墙水平连接装置。通过该设计,制作了2种不同螺栓数量的水平连接装置,并对其进行了不同正弦加载频率下的动态力学性能试验,探究了不同螺栓预紧力、加载频率及螺栓数量对装置力学性能的影响规律;探究了装置摩擦升温对其力学性能的影响规律。结果表明:该装置在保证结构可靠连接的同时,又能依靠装置的内部摩擦消耗大量地震能量,从而有效减小结构地震响应,保护主体结构。此外,螺栓预紧力与装置的耗能能力和割线刚度基本呈线性关系,但对等效阻尼比影响不大;水平连接装置的力学性能几乎不受加载频率的影响;增加螺栓数量可大幅提高装置耗能能力;螺栓预紧力与加载频率均是装置温度升高的重要影响因素,但装置温度变化对其力学性能影响不大。     

螺栓被连接件刚度的解析计算

基于三维轴对称模型的弹性理论方法对螺栓连接中被连接件进行了建模,用均匀分布的环形力来模拟螺栓头部对被连接件的作用力,给出了被连接件的刚度的理论解析.实例计算结果表明:提出的计算方法具有较高的精度.得到的被连接件刚度计算方法不需要进行太复杂的运算,适合螺纹连接设计中较为准确地计算被连接间的刚度,具有较好的工程实用性.基于三维弹性理论解析解的方法对被连接件的刚度进行求解,不需假设应力分布,也不需要对最佳的半锥角进行实验或有限元统计.     

Numerical study on the influences of preload factor on the properties of three-lobe journal bearing

The influences of preload factor on the characteristics of three-lobe journal bearing, such as dimensionless load capacity, attitude angle, stiffness coefficients and damping coefficients, were studied by using the numerical calculation. And the influences of eccentricity ratio and wide-to-diameter ratio on the characteristics of journal bearing were investigated as well. The results show that with the increasing of preload factor, eccentricity ratio and wide-to-diameter ratio, the dimensionless load capacity and damping coefficients increase; meanwhile, the absolute value of stiffness coefficients increases; and with the increasing of preload factor and eccentricity ratio and the decreasing of wide-to-diameter ratio, the attitude angle decreases. The study offers theoretical base for engineering application of three-lobe journal bearing.     

饱和黏弹性土中端承桩扭转振动的对比分析

采用Kelvin模型模拟饱和土体和桩的相对滑移,在频率域内研究了饱和黏弹性土层中端承桩的扭转耦合振动.饱和土体的力学行为利用Biot模型描述.将土骨架视为具有分数阶导数本构的黏弹性体,采用Novak薄层法,得到了桩扭转振动时饱和黏弹性土层的动力阻抗.利用Euler-Bernoulli杆模型模拟桩的力学行为,给出了饱和分数导数黏弹性土层中端承桩扭转振动的分析方法和桩顶动力复刚度的解析表达式.在此基础上,分别对以下几个方面进行了对比分析：经典弹性模型、分数导数黏弹性模型和标准线性固体模型的结果;三维模型和薄层法的结果;桩土界面有无相对滑移的结果.考察了分数导数模型参数、饱和土和桩各参数对桩顶刚度因子和等效阻尼的影响.结果表明：在高频处完全接触条件下桩顶刚度因子和等效阻尼的振幅小于滑移条件下;随着阶数和材料参数比的增加,桩顶刚度因子和等效阻尼都有所减小.     

梁式全碳纤维复合材料桁架模态及阻尼特性

为表征梁式全碳纤维复合材料桁架模态及阻尼特性,建立实体单元有限元模型进行桁架模态仿真,提出基于仿真结果采用模态应变能阻尼模型计算结构阻尼损耗因子的方法;此外,为提高模态分析效率,引入梁等效理论建立等效分析方法.仿真及等效分析结果与实测值的对比表明:梁等效理论、仿真及实验所得振型基本一致;仿真频率及结构阻尼损耗因子计算值误差均小于10%,所述模态仿真和阻尼计算方法有效,最后基于仿真结果验证了梁等效理论针对大尺度桁架模态的分析精度.     

消能装置在相邻结构减震控制中的应用

在等效线性化的基础上,推导了消能装置连接的2单自由度相邻结构体系在金井清谱激励下的随机响应计算公式,研究了该减震体系的适用范围,认为该体系宜在子结构频率相差较大且地面运动的能量分布较为分散时采用;通过128个非线性时程分析的实例,对该结论进行了验证．同时考察了消能装置等效刚度和等效阻尼对减震效果的影响,得出结论:消能装置的等效刚度宜选择较小值,等效阻尼存在最优范围,并非越大越好．     

Effect of a preload force on anchor system frequency

The interrelationship between preload forces and natural frequencies of anchors was obtained from the structure of an anchor and its mechanical characteristics. We established a numerical model for the dynamic analysis of a bolt support system taking into consideration the working surroundings of the anchor. The natural frequency distribution of the system under various preload forces of the anchor was analyzed with ANSYS. Our results show that each order of the system frequency varied with an increase in preload forces. A single order frequency decreased with an increase in the preload force. A preload force affected low-order frequencies more than high-order frequencies. We obtained a functional relationship by fitting preload forces and fundamental frequencies, which was in agreement with our theoretical considerations. This study provides theoretical support for the detection of preload forces.     

VED支承转子的模态频率及稳定性研究

为了研究两端黏弹性橡胶阻尼器（VED）支承单盘转子系统的动力学特性，建立了轮盘位于1/3轴跨处的转子系统有限单元模型。通过求解转子系统的复特征根问题，获得转子系统的模态振型。分析模态频率和阻尼比随转速的变化规律，讨论阻尼器支承刚度、损耗因子和质量参数对模态频率和阻尼比的影响。结果表明，转子系统的阻尼器支承刚度和损耗因子分别存在一个最优值，使得工作转速远离模态频率，并提高了转子系统的稳定性；质量参数对一阶模态阻尼比的影响较小；当质量参数超出某有效区间时，系统将失去对高阶模态响应的衰减作用。