机械结合面法向接触刚度和阻尼的理论模型

基于统计接触理论和等效粗糙接触表面假设,考虑微凸体在加卸载及动态载荷下的变形特征,建立了结合面法向静、动态接触模型,获得了单位面积法向静、动态接触刚度与接触阻尼(基础特性参数)。基于Kadin和Etsion的粗糙表面弹塑性卸载接触模型,通过引入微凸体卸载过程中残余变形与最大变形量及最大接触载荷之间的函数关系,建立静态加卸载接触模型。针对结合面间简谐动态相对位移,利用泰勒公式对静态接触载荷和接触刚度进行展开,得出了动态接触载荷、接触刚度的增量以及动态接触载荷下的能量损耗,建立了法向动态接触刚度和接触阻尼的计算模型。分析了结合面面压、动态位移幅值及振动频率对动态接触刚度和接触阻尼的影响规律,研究表明:法向动态接触刚度相对静态接触刚度有微小偏移增量,动态接触刚度增量和接触阻尼随法向面压及动态位移幅值的增大而非线性增大,动态接触刚度增量随振动频率增加呈非线性增大,而接触阻尼则随振动频率增加呈非线性减小。通过理论计算与试验结果的对比分析,证明了本文建立的结合面法向静、动态接触刚度及接触阻尼理论模型的正确性。     

考虑基体变形的混合润滑结合面接触特性

为研究混合润滑状态下粗糙表面基体变形对结合面接触特性的影响,建立了考虑基体变形的结合面接触刚度模型。首先,通过单微凸体-基体系统模型分别求解微凸体和基体的接触刚度,利用不动点迭代法获得微凸体真实变形量;其次,基于分形理论建立结合面固体接触刚度模型,通过固体接触刚度获得液体介质的接触刚度。根据仿真结果分析了基体变形、粗糙表面形貌以及润滑介质对结合面接触特性的影响规律。结果表明:当真实接触面积一定时,通过新模型计算的法向载荷小于忽略基体变形的模型;在接触前期,结合面的接触刚度主要由液体介质接触刚度主导,随着真实接触面积的增加,液体接触刚度占总刚度的比率越来越小,最后转变为固体的接触刚度主导结合面的接触刚度。该模型为研究混合润滑状态下结合面的接触特性提供了理论基础。     

基于分形几何与接触力学理论的结合面法向接触刚度计算模型

基于分形几何理论和接触力学理论,用分形理论表征粗糙表面微凸体参数,考虑微凸体由弹性变形向弹塑性变形以至最终向完全塑性变形转化的过程,建立各变形阶段微凸体的接触刚度模型。在此基础上,提出机械结合面法向接触刚度计算模型,该模型揭示了在不同的塑性指数下,结合面法向接触载荷与法向接触刚度之间的关系。结果表明,在塑性指数较小时,微凸体的变形以弹性为主,法向接触载荷与接触刚度之间表现为近似线性关系;随着塑性指数的增加,微凸体变形主要以塑性为主,法向接触载荷与接触刚度之间表现为较强非线性关系。对已有的铣削加工和磨削加工情况下的结合面法向接触刚度试验结果,利用该模型进行数值计算、仿真和分析。结果表明:提出的模型更与试验曲线吻合。     

机械结合面接触刚度建模新方法

建立精确、有效的结合面接触刚度模型是进一步开展机床整机动力学建模与分析的基础。提出了一种新的弹性接触刚度模型,该模型考虑基体变形的同时,对GREENWOOD和WILLIAMSON提出的粗糙表面微观接触模型(GW模型)进行了修正。为分析基体对接触变形的影响,首先建立含有基体的单个微凸体接触模型,并基于HERTZ接触理论,获得结合面的接触参数;然后,通过引入三角分布函数和解决GW模型在模拟微观接触行为中存在的问题,建立了新的弹性接触刚度模型,并揭示了分布函数、基体变形以及表面粗糙度对结合面接触特性的影响规律。研究表明:三角分布函数能有效地表征表面微凸体高度分布;基体变形的影响是由基体和微凸体相互作用引起,随着法向载荷的增大而明显;表面粗糙度是影响接触刚度的主要因素,相同载荷下,表面粗糙度越大,接触变形越大,接触刚度越小。     

基于域扩展因子和微凸体相互作用的结合面接触刚度模型研究

结合面接触刚度直接影响了机械设备的整机动态特性,为了建立更为准确的接触刚度模型,以分形几何理论为基础,利用单一微凸体承受局部载荷时的弹性变形特性,并基于域扩展因子引入微接触截面积分布函数,推导了考虑表面微凸体相互作用影响的结合面接触刚度分形模型。为了验证所提出模型的准确性,通过三维非接触式测量,获得了试验试样的表面轮廓数据,并根据结构函数法,计算了各个试样的表面分形参数,进而将理论接触刚度与试验结果对比分析,结果表明：法向接触刚度的增长速率与粗糙面表面临界接触面积有关,临界接触面积决定了结合面内的弹性变形占比。考虑微凸体相互作用后,所提出模型的预测曲线更加符合试验中法向载荷与接触刚度的关系。     

一种新的结合面微观接触模型

为研究粗糙表面中微凸体变形和基体变形对表面动态接触特性的影响,利用GW模型和Hertz接触理论推导出微凸体的接触刚度和基体的接触刚度,通过耦合刚度提出了一种新的结合面微观接触模型。通过新模型与Hertz模型、有限元分析结果的对比发现,微凸体和基体材料弹性模量比值κ=0.60.8时,新模型计算得到的解更加趋近于有限元分析结果,在这个范围内新模型更优于Hertz模型,微凸体/基体系统的接触情况只与微凸体和基体材料弹性模量比值κ有关,与微凸体形状大小、微凸体材料和基体材料的弹性模量没有太大关系。     

机械结合面法向接触刚度分形理论模型

基于分形理论同时考虑微凸体的弹性、第一弹塑性、第二弹塑性、完全塑性四个阶段的变形状态,得出单个微凸体在各变形阶段的接触刚度模型,从而得出影响单个微凸体法向接触刚度的相关参数。引入频率指数并得出各变形阶段频率指数的临界值,推导出频率指数值处于不同区间时结合面的接触刚度模型。模型仿真结果表明,分形维数D取1. 1～1. 9时,随着D值的增大,无量纲法向接触刚度的值单调增大;微凸体频率指数处于各个区间时无量纲法向接触刚度的值随法向实际接触面积的增大均增大。     

具有微织构形貌的结合面法向接触刚度分形模型的研究

研究微织构结合面上的表面形貌参数对结合面法向接触刚度的影响。根据微织构表面的形貌特征,将微织构表面分为织构前表面和织构区域两部分,由分形接触理论计算出织构前表面上微凸体的基本参数,忽略织构区域底部未接触部分,将微凸体在接触载荷作用下的变形分为三个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。由接触力学理论,首先建立织构前表面上单个微凸体的法向接触刚度模型。然后由微观到宏观,结合微织构表面的织构形貌特征,构造整个宏观微织构结合面的法向接触刚度计算模型,研究不同的表面形貌参数对于微织构界面上法向接触载荷、微凸体因载荷产生的变形以及法向接触刚度的影响。经过仿真分析之后,结果表明,当微织构结合面的法向接触载荷不断增大时,结合面的法向接触刚度总体呈单调上升趋势;并且随着织构密度的增加,结合面上由于织构形貌的存在,使得一部分微凸体未产生变形,从而减小结合面的法向接触刚度,并且当法向载荷增加时,这种效果会更加明显;在相同的接触载荷下,塑性指数越高,处于塑性变形状态的微凸体就越多,从而使具有微织构形貌的结合面的法向接触刚度变大。     

耦合基体变形与微凸体相互作用的结合面刚度模型

针对螺栓结合面,提出一种新的弹塑性接触刚度建模方法。该模型不仅延续了微凸体具有连续光滑接触特性的思想,还揭示了基体变形和微凸体相互作用的耦合关系,提出一种新的弹塑性接触刚度建模方法。首先,根据多尺度理论和数理统计方法,建立了具有连续光滑接触特性的结合面法向接触模型;然后,通过建立单个微凸体-基体系统模型和多微凸体接触模型,探究了基体变形和微凸体相互作用的作用机理和耦合关系,并对结合面接触模型进行修正;最后,对比仿真结果和已有实验数据,验证了修正模型的正确性,并分析了基体变形和微凸体相互作用的影响程度。仿真结果表明：基体变形不仅影响了微凸体的接触变形,还会进一步引起微凸体间相互作用的发生;微凸体相互作用使得微凸体高度分布发生偏移,导致结合面局部高度平面下移;相比于基体变形,微凸体相互作用对接触刚度的影响显著,但表面粗糙度的影响依旧占主导地位。     

具有连续光滑特性的结合面接触刚度模型

结合面接触刚度直接影响着机械系统的静、动态力学性能和精度保持性水平.基于微凸体在弹性、弹塑性以及完全塑性接触变形过程中,接触刚度具有连续、光滑特性的思想,首先提出利用Hermite多项式插值函数,来弥补单一微凸体接触刚度建模时存在的不连续等缺陷,建立了具有连续光滑特性的单一微凸体接触刚度新模型;然后基于统计学方法,建立了结合面的法向接触刚度模型;最后将所建模型与GW、ZMC、KE和BRAKE模型进行对比分析.结果表明:本文模型实现了单一微凸体接触刚度在不同接触状态之间连续且光滑地转变;对于光滑表面形貌,基于GW、ZMC、KE以及BRAKE模型预测的接触刚度与本文模型结果的差异较小,其中本文模型最接近于纯弹性的GW模型;当表面粗糙度增大时,GW模型与其他几种模型的差异逐渐增大,此时本文模型与考虑微凸体多种变形阶段的ZMC模型吻合较好;再次表明载荷与表面粗糙度是影响刚度的两个主要因素,即随着载荷的增大或表面粗糙度的减小,接触刚度递增.     

轮胎刚度和阻尼非线性模型的解析研究

根据轮胎的静态和动态试验结果,建立了轮胎刚度和阻尼的非线性解析模型.该模型分析了轮胎刚度与轮胎变形量、充气压力和振动频率之间的数值解析关系;同时还分析了轮胎阻尼与振动速度、轮胎变形速度和充气压力之间的关系.     

Dynamic characteristics of spindle with water-lubricated hydrostatic bearings for ultra-precision machine tools

A key component of ultra-precision machine tools is the spindle. The motivation for this study was to improve machining accuracies in precision cutting and grinding by pursuing improvements in the spindle characteristics by designing a sophisticated spindle with water-lubricated hydrostatic bearings. The static bearing stiffness of the developed spindle was investigated in previous studies. In addition to the static bearing stiffness, the dynamic characteristics regarding bearing stiffness also affect significantly on the machining results. In this study, dynamic characteristics of the developed spindle with water-lubricated hydrostatic bearings were investigated via simulations and experiments. Not only bearing dynamics but also rotor dynamics were considered in this study.In the simulation studies, the spindle dynamic characteristics were analysed based on the transfer matrix method. A spindle rotor supported with hydrostatic bearings was represented by discrete sections of the rotor. The mathematical model of transverse linear vibrations of the spindle rotor was derived with distributed parameters for these discretized rotor sections. As a result of the analysis on the amplitude-frequency characteristic, radial displacements of the rotor due to bearing displacement and bending deformation were defined. Then, the frequency characteristics were represented with Nyquist plots. Resonant frequencies and amplitudes formation in the transverse vibration of the rotor were determined. The influence of rotor bending deformations on spindle compliance was assessed. Furthermore, the study examined the influences of the supply pressure of the lubricating fluid, radial clearance and journal diameter of the hydrostatic bearings on the amplitude of the rotor vibration, and the resonance frequency of the system.Furthermore, the dynamic characteristics of the spindle were examined experimentally. The simulation results were in good agreement with the actual spindle dynamics obtained experimentally. The influence of the structural parameters of the rotor and the operating parameters of the bearings on the spindle dynamic characteristics was also determined. It was verified that the amplitude of the vibration of the rotor overhang part was dominantly affected not by bearing stiffness but by bending stiffness of the bearing journal of the front bearing and the length of the rotor overhang.Then it was verified that the resultant displacement of the rotor in the radial direction due to the influence of the bearing characteristics and the structural effect of the rotor is significantly small. Practical recommendations to improve the spindle design in terms of the dynamic characteristics of the spindle with water-lubricated hydrostatic bearings were also derived.     

80MN快锻液压机结构动态特性分析

针对高频次锻造工况下作业的80MN快锻液压机结构动态特性要求高等问题,基于ANSYS动力学分析的原理,并考虑到动力学分析需要占用的计算机资源大,简化了活动横梁装配,忽略了导向架,对活动横梁与立柱接触结合部x方向采用耦合连接,活动横梁底面覆盖一层目标单元,锻件顶面覆盖一层接触单元,形成接触对;活动横梁的初始速度设置为15 mm/s,加速度设置为537 mm/s^2,加速度的加载采用阶梯加载方式,同时考虑结构预紧力对结构分析的影响,建立了其结构动力学分析的有限元模型,进行了结构在动载荷作用下的动力学响应分析计算,获得了液压机结构的动应力分布规律和变形分布规律.研究结果表明,结构动态最大位移值约为最大静态位移值的2倍,结构在动态载荷下的应力也约为静态的2倍,发现了结构刚度薄弱环节,为在设计过程中更加合理地布置结构刚度,提供了理论依据.     

Analysis and modeling for flexible joint interfaces under micro and macro scale

The flexible joint interfaces with random topography are re-constructed by data point cloud obtained by experimental measurements and a contact model between two rough random surfaces is established. Contact analysis is conducted by FEM considering the elasto-plastic constitution of the material. An exponential relationship model between normal pressure and normal deformation of the joint interfaces is presented by least-square method, and furthermore, the normal contact stiffness expressions of unit area of the joint interfaces are deduced. In order to use micro-scale model to deal with large scale practical engineering interfaces, a cantilever structure connected by bolted joint is taken as a macro scale example, and its dynamic model is established with the pressure distribution on the interface and real contact area obtained by simulations and experiments. Modal test experiments are conducted, and the first three natural frequencies and frequency response functions are obtained to validate the model.     

角接触球轴承支承的轴系振动频率计算方法

建立了角接触球轴承支承的轴系有限元模型,开发了相应的振动频率分析软件,计算了轴系静频,分析了在一定工况下转速对动频的影响和幅频特性,与实测试验结果吻合较好。结果表明:频域信号的最大峰值处的频率与轴系的静频相关。     

基于叶轮转子系统下的干气密封轴向振动分析*

为探究基于叶轮转子系统下干气密封轴向振动特性,基于干气密封结构特性,建立叶轮转子-轴承-干气密封系统轴向振动模型,采用待定系数法进行求解,推导得出静环轴向振动幅值表达式;建立叶轮转子-轴承-干气密封系统几何模型,运用ANSYS Workbench软件进行模拟仿真计算,分析气膜刚度和激振力对轴向振动的影响。结果表明:气膜刚度对动、静环振动幅值的影响不大;动、静环振动频率相同、振动幅值相同,说明动、静环的追随性高,其间隙稳定,从而保证干气密封的稳定运行;动、静环位振动幅值与激振力成正比关系,说明激振力严重影响干气密封的稳定性,为提高干气密封的稳定性,应平衡好叶轮的轴向激振力。     

康复机器人准零刚度隔振特性分析与实验

为了解决康复机器人低频振动对人体的影响问题,提出并设计一种具有准零刚度特性的新型被动隔振机构,它由两个对称的具有负刚度特性的拉伸弹簧并联一个线性正刚度弹簧实现。首先,通过静力学特性,建立此隔振机构的力-位移和刚度-位移关系式,得出机构在静态平衡位置处具有准零刚度特性的参数条件;其次,通过动力学特性,建立其分别在简谐力和简谐位移激励下的非线性微分动力学方程,采用谐波平衡法分析机构参数与激励对系统力传递率、位移传递率的影响;最后,通过实验验证在有、无负刚度情况下,输入与输出的曲线。结果表明,在有负刚度机构的情况下,隔振系统具有一定范围的准零刚度特性,且低频隔振性能较好,达到了高静态、低动态刚度的效果。本研究对机器人低频隔振具有创新性和指导意义。     

基于修正Iwan模型的螺栓结合面非线性建模研究

准确建立高保真的螺栓结合面非线性力学模型是分析高端装备的前提和基础。针对螺栓结合面的迟滞非线性力学问题,提出了一种修正Iwan模型的力学建模方法,使得传统唯象的Iwan模型各参数物理意义更加明确。首先,根据多尺度理论和数理统计方法,建立了具有连续光滑接触特性的结合面法向接触模型;然后,通过考虑动态和静态摩擦因数的差异并利用库仑摩擦定律,将修正后的Iwan唯象模型与具体的法向接触模型联系起来,提出了新的螺栓结合面切向响应模型;最后,基于Matlab仿真和已有的试验数据,验证了所建模型的正确性,并探究了加载条件、塑性指数和动静摩擦因数比对结合面接触特性的影响。研究表明：一个周期加、卸载的能量耗散是随着位移幅值的增加而递增;相比于塑性指数,动静摩擦因数比的改变对结合面切向载荷的影响更为显著,在后续研究中需重点考虑;微凸体临界滑移力分布受其他因素的影响主要体现在接触微凸体的数目、峰值点的位置以及曲线收敛速度的改变。