基于实验分析的机床结构有限元建模及其应用研究

针对一台数控弧齿锥齿轮铣齿机,进行机床整机的有限元动态和静态分析,测量机床静刚度,进行模态实验测试及分析.结合有限元模态分析结果,依据重要的实验模态和机床静刚度修正导轨结合部有限元模型参数.对机床整机结构进行改进,通过有限元分析计算,改进后整机结构动、静刚度明显提高.为确定机床导轨结合部模型参数提供一种研究思路与方法.     

机床导轨结合部动态特性的有限元分析方法

基于动态的结合面基础特性参数,研究了机床导轨结合部特性的有限元建模方法,并将其用于机床整机的动态特性分析,为机床整机特性分析中结合部特性参数的确定提供了一种方法,使机床在图纸设计阶段预测整机特性成为可能.首先给出了结合部单元的建模方法,然后通过一个实例,说明了该方法的有效性.     

数控机床滚动导轨结合面参数的特性分析

机床导轨结合面是影响机床特性的关键因素，在机床整机的建模分析中是必须要考虑的部分。根据滚动导轨结合面的模态试验结果和有限元分析结果，对导轨结合面的参数进行优化识别，得到导轨结合面的动刚度和阻尼，为机床整机建模分析提供了重要的依据。     

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。     

高精度立式磨床关键结合面动态特性研究

机床的结合面是整机动态特性的薄弱环节。应用实验测试和计算机仿真,对机床结合面的动态特性进行研究,以提升整机的动态性能。针对磨床中螺栓连接的关键结合面,建立考虑法向和切向刚度的三维接触刚度模型。将实验测试结果与有限元分析相对比,验证所建结合面模型的正确性。应用该模型,采用增加螺栓个数及提高螺栓预紧力等方法,改进结合面设计,分析改进后的整机动态特性。该方法实现了机床整机结合部的非线性特性的合理处理,以支持机床设计中整机性能的预测。     

机床导轨结合部的动态特性解析方法及其应用

基于结合面动态基础特性参数,研究了机床导轨结合部动态特性的建模解析方法,并将其应用于机床整机动态特性解析,为机床整机动态特性解析中结合部参数的确定提供了一种方法,使机床图样设计阶段预测整机动态特性成为可能。     

基于能量分布的机床整机动态特性优化方法

基于机床结构中的能量分布,在准确建立立式加工中心整机有限元模型的基础上提出一种整机动态性能优化方法。采用弹簧阻尼系统等效结合部的接触特性,基于辨识的结合部等效刚度和阻尼值在Ansys中建立了立式加工中心整机有限元模型,对整机进行模态分析和谐响应分析。通过整机模态试验验证了该有限元模型的准确性,并根据有限元分析与试验结果确定整机的薄弱模态。计算薄弱模态下整机、结合部的弹性能以及结合部在整机中的弹性能分布率,以分布率较高的结合部作为薄弱结合部。基于薄弱结合部的等效接触刚度提出优化方案,优化后薄弱结合部的弹性能分布率明显降低,主轴轴端的动态响应幅值降低,从而使整机动态性能得到改善,验证了该优化方法的可行性。     

基于结合面基础特性参数的机床导轨结合部动态特性解析方法

导轨是机床的最重要功能部件之一,由于其具有滑动特性,因此也是机床整机动态特性中最有影响的结合部之一.本文以结合面的基础特性参数为基础,研究了机床导轨结合部的动态建模解析方法,并将其应用于机床整机动态特性解析,为机床整机动态特性解析中结合部参数的确定提供了一种方法,并为机床图样设计阶段预测整机动态特性开辟了道路.     

铣齿机有限元建模及优化设计

针对螺旋锥齿轮铣齿机结构进行了Y向静刚度实验和模态实验,且由切削实验验证了实验1阶模态频率。基于结合面法向解析刚度及模态实验结果建立了床身立柱结合面有限元仿真动力学模型,而且由实验静刚度建立了整机Y向静刚度有限元模型。鉴于铣齿机笨重,分别对床身和立柱单件进行了轻量化设计,发现在前3阶固有频率削弱小于5%的情况下,质量分别减轻了18.86%和27.4%,且对应整机模型固有频率和刚度均提高。进一步分析了结合面参数动态灵敏度,并用坐标轮换法确定了最优的结合面刚度参数,为导轨选型提供了一种实用方法。为设计类似机床提供了依据,也为更加实用的动力学建模、更加有效的筋板参数优化及结合面动态性能优化提供了依据。     

基于结合面基础特性参数的机床导轨结合部动态特性解析分析

导轨是机床的最重要功能部件之一,由于其具有滑动特性,因此也是机床整机动态特性中最有影响的结合部之一。本文以结合面的基础特性为基础,研究了机床导轨结合部的动态建模解析方法,并将其应用机床整机动态特性解析,为机床整机动态特性解析中结合部参数的确定提供了一种方法,并为机床图样设计阶段预测整机动态特性开辟了道路。     

节流器结构参数对Nanosys-1000液体静压导轨承载特性的影响

从实际加工角度出发,研究了节流器结构参数对Nanosys-1000超精密加工机床静压导轨承载特性的影响。利用流体分析软件建立导轨承载油垫的有限元模型并搭建了相关静压导轨实验台,研究了进口油压为1.7 MPa,油膜厚度为36μm时承载油垫的压力场分布特征,并通过对压力场积分得到油膜承载力,求导得到油膜刚度,从而揭示不同结构参数对静压导轨承载特性的影响。研究结果表明:节流器结构参数中节流孔孔径对机床承载特性影响最大,其次为节流孔孔长,出入口倒角对其影响甚微。导轨负载较小时,扩大节流孔孔径与缩短节流孔孔长有助于改善静压导轨承载特性;但在重载条件下,缩小节流孔直径,增加节流孔孔长反而更有利。将仿真数据与实验数据作对比,得到3个承载力测量点数据误差分别为7.9%,6.9%,8.6%。最后根据研究成果,确定了Nanosys-1000机床静压导轨节流孔结构参数。     

机床导轨结合面动刚度参数修正优化

目前,有限元方法已经广泛应用于机床分析及优化设计之中,有限元模型的准确性会对静动态分析产生巨大的影响,模态试验测试方法可以用于检验并修正模型。以某数控雕铣机为分析对象,将模态试验与有限元计算相结合,基于模态试验的动态参数测试结果,利用ANSYS Workbench有限元分析软件进行多目标优化设计,修正导轨结合面刚度参数,使矫正后的有限元模型更为准确地描述机床的动态特性。     

某型飞机翼身连接接头可靠性分析

首先将标准有限元程序与改进的均值法相结合，对某型飞机翼身连接接头处的刚度可靠性进行分析，结果表明在所给载荷和允许应变的情况下，该接头结构在外载变异系数为0．15，弹性模量和剪切模量的变异系数分别为0．05时仍具有较高的可靠度。然后又将标准有限元分析程序与响应面法结合，在假设接头的响应极限状态方程为一不包括交叉项的二次多项式的基础上，利用有限元分析确定响应极限状态方程，通过迭代运算，保证响应极限状态方程在最有可能失效点处与接头结构真实的隐式极限状态方程有很好的近似程度。两种方法的计算结果具有较好的一致性。最后基于弹塑性应变分析，给出大过载情况下低周疲劳寿命可靠性分析结果，得到在给定寿命要求下结构可靠度随疲劳寿命变异系数变化的曲线，并给出在要求可靠度情况下安全寿命随疲劳寿命变异系数的变化曲线，为该型飞机的设计定型提供依据。     

基于改进自适应遗传算法的固定结合面动态特性参数优化识别

针对固定结合面传统建模方法精度较低和结合面的动态特性参数难以确定的问题,改进了基于弹簧阻尼单元的建模方法,提出了基于实验模态分析和改进自适应遗传算法的固定结合面动态特性参数的优化识别方法。该方法以有限元计算的理论固有频率和阻尼比与其对应实验模态分析结果的相对误差最小为目标函数,使用改进的自适应遗传算法优化识别固定结合面的刚度和阻尼参数。以自行设计制作的固定结合面模型为研究对象进行了建模、实验、参数识别等分析,分析结果表明:所提出的方法是正确的、有效的,参数识别误差在5%以内,达到了较高的识别精度。     

数控重型曲轴铣车复合加工机床旋风刀架有限元分析

针对数控重型曲轴铣车复合加工机床旋风刀架的结构特点,利用UG软件建立其三维模型,对旋风刀架恒流静压导轨的油膜刚度进行了计算,采用ANSYS软件建立了旋风刀架有限元模型,并进行了静力和模态分析,得到了其应力分布图、结构变形图以及前6阶固有频率和模态振型。对计算结果的分析表明:旋风刀架具有良好的静力特性和动态特性,能够满足设计要求。指出了旋风刀架结构设计的薄弱环节,并为其结构优化设计提供了一些参考数据。     

考虑微凸体水平距离分布及相互作用的结合面法向接触刚度建模

在涉及微凸体侧接触的粗糙表面接触建模过程中,通常需要假定微凸体之间侧接触的角度分布规律。提出一种考虑微凸体水平距离分布及相互作用的结合面法向接触刚度建模方法,该方法不再需要假定角度分布规律,而是基于首次发现的单个粗糙表面微凸体水平距离正态分布规律,根据统计学理论进行考虑微凸体相互作用的结合面法向接触刚度建模。对模型进行数字仿真发现：结合面法向接触刚度与接触载荷均随着微凸体水平距离标准差的减小而增大,并且考虑微凸体相互作用会使得结合面的法向接触刚度减小。结合面法向接触刚度随弹性模量的增大而减小,随材料硬度的增大而增大。通过有限元仿真结果与模态试验结果对比可知,基于模型的有限元仿真前三阶固有频率与试验所得结果基本吻合,并且误差相对GZQ模型更小。旨在通过研究单个粗糙表面微凸体水平距离分布,突破侧接触建模时接触角度分布函数仍需假设的理论瓶颈,为更加准确地预测结合面接触特性奠定基础。     

带滚珠丝杠副的直线导轨结合部动态刚度特性

借助弹性力学中的赫兹接触理论,分析计算直线滚动导轨的线刚度、滚珠丝杠副和角接触球轴承的轴向刚度,建立带滚珠丝杠副的机床直线导轨结合部的动力学特性理论模型,开发了计算软件;以一款立式加工中心为研究对象,分析计算带滚珠丝杠副直线导轨结合部动态刚度,着重讨论工作载荷对结合部动态刚度的影响规律,基于有限元法分析含结合部动态参数的加工中心整机动态特性。研究结果不仅突破了目前机床直线导轨结合部刚度模型不考虑滚珠丝杠副之缺陷,而且与传统的参数识别法和有限元法相比,具有物理概念清晰、计算过程简单等特点。     

一种流体驱动式模块化软体仿生象鼻关节变刚度结构设计及仿真分析

在兼顾软体抓持装置顺应性的前提下,为进一步提升其承载能力,提出一种采用磁流变液变刚度控制的流体驱动式模块化软体仿生象鼻机构。建立了仿生象鼻关节变形量和刚度理论数学模型;利用有限元分析方法基于Yeoh模型对不同结构参数的仿生象鼻关节进行了变形仿真分析,在相同压力下优选出了变形量最大的模型结构和确定了最佳输入气体压力值;对关节变形后两端电磁铁的叠加磁场分布进行了有限元仿真,通过分析磁场分布均匀性初步确定了两端电磁铁形成磁场的最佳距离即关节长度;最后对不同长度关节进行了变形仿真分析,综合考虑磁场分布均匀性和变形量,通过两者的最优组合确定最终关节长度,验证了仿生象鼻的多自由度变形和可变刚度特性。