基于模态实验的螺栓结合部动刚度识别方法

采用LMS Test.Lab对螺栓结合部进行模态实验分析,获得了系统的六阶固有频率和振型,为有限元仿真中模态分析做参照。利用ANSYS Workbench对有限元模型中弹簧的参数进行设置并进行模态分析,计算出六阶振型和固有频率。对比仿真计算的结果和实验测得的结果,识别出螺栓结合部的动刚度。通过对比螺栓预紧力矩为55N·m时识别结果和实验测试的结果(误差在10%以内),证明了该方法的正确性。本识别方法精度高,识别过程简单,为机械结构中螺栓结合部动刚度的求解提供了一种思路。     

一种螺栓结合部刚度四点等效方法

螺栓结合部是机床结构中应用最普遍的固定结合部之一,直接影响着机床整机性能。应用有限元软件分析机床整机结构性能时,为了保证计算精度,需要精细划分螺栓结合部网格,导致计算规模大、耗时,因此探索简单有效的机床螺栓结合部有限元模型的处理方法具有重要意义。基于实验获取结合面基础特性参数,通过解析方法得到螺栓结合部中每个单元螺栓结合部的六项刚度,然后基于刚度等效原则将每个单元螺栓结合部等效成对称分布的四个弹簧单元,给出了等效弹簧刚度及位置的计算方法,在机床整机结构有限元分析时,以等效弹簧单元代替单元螺栓结合部,直接将其等效刚度代入有限元模型求解,可大大简化有限元计算模型。实验验证该等效方法是可行的。     

基于模型修正的螺栓结合部虚拟材料参数识别及应用

针对螺栓结合部虚拟材料模型建模及参数识别问题,基于结合部显著影响整体结构动力学性能这一特性,提出基于模型修正的虚拟材料动力学模型参数识别方法。针对参数识别中修正方程的病态问题,根据虚拟材料相关参数及结构各阶模态频率相互之间的影响度,构造修正方程的左右加权函数以减轻其病态程度,并通过仿真算例验证参数识别方法的有效性。探讨平板螺栓连接及哑铃状结构用于虚拟材料参数识别的有效性及抗噪性,加工哑铃结构的实验零件,辨识螺栓结合部虚拟材料模型的参数。基于机床螺栓结构的常用工况,建立虚拟材料模型参数库,并在CKX5680数控机床上验证参数库的有效性。结果表明：采用模型修正技术可以准确地识别无噪声时的虚拟材料参数;采用哑铃结构实验试件在有噪声情况下,螺栓结合部虚拟材料参数识别误差小于8%;采用虚拟材料模型模拟螺栓结合部的建模误差小于5.6%。     

一种有效的螺纹固定结合部有限元建模方法

针对结合面压力不均匀分布对结合部建模精度存在影响,给出了一种基于结合面压力不均匀分布的螺纹固定结合部动力学建模方法。首先,利用Ansys对施加预紧力的装配体整机进行静力学分析,提取结合面处的节点、单元信息及压力分布,基于节点间距离最短的原则对上、下结合面中的节点进行匹配,在匹配好的两节点间建立Matrix27刚度、阻尼单元,以此来描述结合部的动力学特性。其次,基于结合面压力分布及Yoshimura法求出Matrix27单元中的刚度系数及阻尼系数;最后将结合部与零部件有限元模型综合成整机有限元模型。对比前四阶理论模态与试验模态:理论模态振型与试验模态振型相似且一一对应,理论固有频率与试验固有频率间的误差在(0.7~7.2)%范围内,从而验证了该建模方法的有效性。     

螺栓连接结合部薄层单元参数优化辨识

薄层单元可有效地表征螺栓连接结合部,但要进行动力学分析及优化必须辨识出薄层单元参数。为此,在建立薄层单元参数与结合部动态特性关系的基础上,提出一种准确、高效辨识薄层单元参数的方法。通过分析薄层单元的刚度矩阵及本构方程,确定待辨识参数;采用拉丁超立方抽样方法选取参数样本,结合试验与有限元计算的模态参数建立目标函数,用响应面模型表征薄层单元参数与目标函数的关系,并评价模型精度;采用遗传算法在响应面模型基础上实现参数优化辨识。分别辨识均一材料和考虑结合面应力分布差异化材料的薄层单元参数,参数优化辨识后,试件的试验与有限元计算固有频率误差均不超过4%,证明了该辨识方法的有效性。     

螺栓连接条件下结构振动模态的时频分析方法

在精密光电跟踪设备中,光机结构的振动特性对保持目标跟踪的精度和稳定性具有重要意义。螺栓连接是光机结构的常用连接形式,但其非线性接触特性也使得结构的振动特性变得较为复杂。采用时域激励计算结构位移响应并进行频域分析的方法计算结构的共振频率。相比于弹簧单元模拟螺栓连接等简化方法,此方法不需要对每一个螺栓分别进行弹簧单元刚度等参数的选取和处理。以螺栓连接的悬臂梁为例,先利用接触面固结的模型验证方法的准确性,其后对考虑接触和螺栓预紧力的模型进行仿真计算。仿真的模态结果和试验模态结果对比表明,所提的仿真方法正确且有效。     

螺栓结合部切向动力学行为辨识方法

首先,以螺栓结合部切向动力学特性为研究对象,基于频响函数的子结构综合法为理论主线,建立结合部切向动力学行为辨识基本方程,推导其切向动刚度Za的理论表达式;其次,联合奇异值分解与最小二乘法,优化辨识结合部切向等效刚度ka与阻尼ca,由此建立螺栓结合部切向动力学数值模型;最后,利用该模型计算结构测点频响函数,进而将其与实测值进行对比。结果表明,二者吻合程度较高,且特征峰对应频率误差分别为1.38%,1.51%和0.84%,验证了所提方法能有效辨识螺栓结合部切向动力学行为,所得等效动力学参数精度较高,可为机械系统整机精准建模提供理论参考与数据支撑。     

基于汽车座椅导轨试验模态的结合部刚度优化

汽车座椅导轨结合部的刚度决定着导轨的主要动态特性。以某型号汽车座椅导轨为研究对象,运用有限元分析和模态试验方法对导轨结合部刚度进行优化。在导轨有限元模型中,用刚度阻尼单元模拟钢珠与导轨内外轨之间的接触。以试验模态固有频率作为目标,弹簧刚度作为设计变量,运用优化软件OptiStruct优化接触部的等效刚度。用优化后的等效刚度参数对导轨进行重新建模,结果表明该方法能够提高有限元动力学模型的建模精度,较好地解决了结合部建模时动力学参数的获取问题。     

螺栓预紧力对螺栓结合面特性参数的影响规律研究

高精度空气静压轴承中螺栓结合面的特性受组成结合面的构件的材料、接触面的形貌、接触面的几何精度、接触面的接触形式等因素的影响,其中影响最为显著的是螺栓预紧力。通过有限元仿真和实验模态分析方法辨识了螺栓结合面的特性参数,并研究了螺栓预紧力对螺栓结合面特性参数的影响规律。发现,随着螺栓预紧力的增加,螺栓结合面特征频率随之增加;当螺栓预紧力增加到一定数值时,螺栓结合面在有限元仿真时可以定义为绑定接触。     

螺栓结合部接触区域非线性动态特征的凝聚建模方法

为研究非线性接触力的影响,提出一种新型螺栓结合部接触区域动态特征的建模方法。基于混合坐标模态缩减技术,将螺栓联接模型中线性自由度的特征模态进行截断,仅保留接触区域的非线性动态特征模态。通过引入可等效表征非线性特征的接触耦合凝聚点,利用坐标变换将接触区域耦合面的非线性接触力凝聚到该作用点上,使得对螺栓结合部的非线性界面接触力转化为凝聚作用点的非线性刚度,从而在保证计算精度的前提下有效降低非线性耦合结合部求解的自由度数,节约计算资源。通过理论计算与试验对比,验证结合部耦合凝聚建模方法的有效性与可行性,这将为精准、高效地预测结构联接体的动态特征与性能评价奠定基础。     

含非规则粗糙间隙表面铰链关节的平面柔性多连杆传动系统动态误差与运动副磨损周期行为分析

传统旋转间隙关节接触模型假定销轴和衬套接触面形状是规则的并忽略了磨损效应的影响,降低了机构动力学模型预测精度。提出了一种含非规则粗糙间隙表面铰链关节的平面柔性多连杆机构多体动力学建模、磨损预测和动态误差分析方法。为准确描述运动副元素间碰撞行为,考虑滑动轴承间隙关节的磨损效应,提出了一种非规则粗糙间隙表面铰链关节的改进接触模型。在此基础上,考虑柔性杆的影响,基于绝对节点坐标法建立了含非规则粗糙间隙表面铰链关节的平面柔性多连杆传动系统多体动力学模型。与基于传统光滑间隙模型的结果相比,基于非规则粗糙间隙改进模型的多连杆机构动态响应更接近于试验值,验证了所提出计算方法的有效性。仿真结果表明,选用CuSn10P和CuPb30作为铰链衬套材料能够有效降低多连杆机构滑块动态响应偏差和提高机构的运动精度;表面粗糙度过高会导致运动副磨损加剧,过低则会降低间隙表面微凸体对碰撞能量的吸收。此外,磨损加剧了间隙表面轮廓不规则度,导致机构动态响应的不稳定性增大,运动精度降低。     

预紧载荷下螺栓结合部静特性分析

结合面的接触变形与构件变形存在耦合关系,为提高整机分析结果的准确性,提出了建立分析模型时在构件间增加虚拟材料层反映结合部非线性特性的假设。基于结合面基础特性参数获得了虚拟材料物理参数,建立了包含结合部特性的分析模型。对预紧力作用下的螺栓结合部进行了一系列不同材料、预紧力及构件厚度的静特性试验。结合分析和试验结果,将结合面变形从整体形变中分离出来,与理论计算比较,验证了本文所提出的建模理论和试验方法的准确性和有效性。     

齿轮箱螺栓结合面的有限元建模研究

在实际工程应用中,针对如何有效地利用ANSYS软件对齿轮箱螺栓结合面进行有限元建模分析的问题,通过对螺栓结合面建模的难点和关键点—螺栓预紧力的模拟、螺栓接触面的模拟以及螺栓实体有限元模拟的建模方法的研究,系统地阐述了基于ANSYS的7种类型的齿轮箱结合面螺栓有限元建模方法,利用ANSYS软件对其中4种典型的螺栓有限元建模方式进行了静力分析和模态分析,分析比较了不同建模方法在静力学和动力学方面的结果差异。研究结果表明,在仿真效率和仿真精度方面,耦合螺栓模型是一种更为合适的建模方法,但在实际应用中采用实体螺栓有限元模型模拟实际结构中的螺栓时,能够更好的反应实际工作中螺栓连接结构的应力变化,是各种建模方法中的优选方案。     

Alternative method for identification of the dynamic properties of bolted joints

Bolted joints often have a significant effect on the dynamical behavior of assembled mechanical structures. An accurate model of an assembled structure depends on correctly determining and identifying the dynamic parameters of bolted joints. This paper presents an alternative method for identifying these dynamic parameters using structure??s natural frequency and damping. A novel experiment is designed with a test piece consisting of only bolted joints, with the governing equations of the test piece established using the analytical method. The relationships between the equivalent dynamic parameters of the bolted joints and the natural frequencies and damping ratios of the test piece are determined for both the normal and tangential directions. The parameter identification problem for bolted joints is thus transformed into a test of the natural frequency and the damping ratio of the test piece. In order to check the accuracy of the proposed identification method, the test piece and bolted joints are modeled using the finite element method (FEM) and the dynamic properties of the test piece are analyzed. The maximum error between the natural frequencies of the FEM result and the experimental values in the normal and tangential models are 4.73% and 0.34%, respectively. The result indicates that the proposed method is valid for the dynamic parameter identification of bolted joints.     

基于神经模糊控制理论的数控机床热误差建模

将基于神经模糊控制理论的建模方法--模糊神经网络建模法应用到数控机床热误差建模当中,讨论了热误差模糊神经网络的结构及建模原理;对大型数控龙门导轨磨床主轴箱系统进行建模试验,采用非接触式红外温度测量仪和千分表分别测量主轴箱系统温度值与主轴热误差,得到两组独立的试验数据,一组用来建立主轴箱系统热误差模糊神经网络预报模型,另一组用来对模型进行验证。试验结果表明,模糊神经网络模型预测精度高,泛化能力强;将模糊神经网络建模方法与径向基函数神经网络建模方法进行综合对比,分析结果表明,模糊神经网络建模方法具有更好的建模效率、建模鲁棒性及预测性能。     

A study on tracking error based on mechatronics model of a 5-DOF hybrid spray-painting robot

Industrial robots suffer from difficulties in predicting and guaranteeing tracking performance due to the complex dynamic behavior and inaccurate mechatronics model. This study investigates the tracking error and motion accuracy improvement based on a mechatronics model of a 5-degree of freedom hybrid spray-painting robot. The dynamic model of the robot is derived by using Lagrange equation, and an identification method is presented to identify the torque coefficient and joint friction synchronously. An accurate mechatronics model is established after the theoretical dynamic modeling and friction identification. The tracking error generation mechanism of the robot control system is studied, and its analytical equation is derived on the basis of a transfer function. A multichannel feedforward controller is synthesized to reduce the tracking error from different sources. The effectiveness of the proposed method in improving tracking accuracy is verified by physical experiments.

     

机床结合部动力学建模与辨识方法的研究

针对机床结合部动力学建模与辨识过程中对子结构间耦合关系与内部激振对外部响应影响考虑不充分问题,采用频响函数矩阵建立完备的机床结合部动力学理论模型;基于力学平衡条件和位移兼容条件推导了辨识方程,提出一种新的动力学辨识方法;辨识过程中融入了子结构间耦合关系,将难测频响矩阵作为中间变量抵消,避免使用难以测量频响或估算难以测量频响所引入的方程误差。在此基础上,将辨识方程拓展至整个测量频段,构建包含辨识关系的矛盾方程,通过最小二乘法求解确定了结合部的等效动刚度,建立了结构的有限元模型。为验证方法的正确性与可行性,基于LMS试验平台进行了现场试验,获得了良好的试验效果;与缩减维度、忽略内部激振作用的建模方法进行了对比分析,结果表明本文方法具有更好的预测性。     

基于六维力传感器的机器人动力学参数辨识

采用基座布置六维力传感器的方式进行机器人动力学参数辨识。以递推牛顿-欧拉方程为基础建立机器人动力学模型，给出六维力传感器输出与机器人关节间动力学关系，分离待辨识动力学参数并确定其最小惯性参数集，最终建立基于基座六维力传感器的机器人辨识模型。为了进一步提高辨识精度，采用两层低通滤波算法推导出加速度替代公式和速度滤波算法，减少加速度和速度噪声的影响。最后，以六自由度协作机器人的前2个关节为对象，设计辨识实验，获得两关节的最小动力学参数集。通过结果逆向验算表明，基座布置六维力传感器方式能以较高的精度辨识出机器人动力学参数。     

串联结构产品可靠性建模与统计分析

针对电连接器接触对数量较小的情况下,其接触寿命不适宜用Weibull分布描述的问题,研究了串联结构产品可靠性建模及统计分析方法,建立了任意接触对数量下电连接器接触寿命分布的可靠性模型,研究了基于区间数据的模型参数点估计和Bootstrap区间估计方法。试验研究结果表明：对于串联结构产品,采用串联结构的真实分布比近似地采用威布尔分布的拟合优度高,可更加客观地评价产品的可靠性水平。     

高速重载码垛机器人刚柔耦合模型建立及动态特性分析方法

针对高速码垛机器人高速、高加速度、大负载的工作特性,提出一种考虑关节柔性的高速重载码垛机器人结构建模及动态特性分析方法。首先,建立刚柔耦合动力学模型,对高速重载码垛机器人的关节柔性进行描述; 其次,基于建立的刚柔耦合动力学模型,对机器人的重要动态特性——振动模态进行分析; 最后,设计力锤瞬态激励实验,对2种方法的有效性进行验证。实验结果表明,该结构建模方法有效地分析了高速重载码垛机器人关节柔性的影响,动态特性分析方法有效地分析了机器人的振动模态。