机械结合面静动态特性研究回顾及展望

介绍了结合面的基本概念，全面回顾分析并总结了结合面静动态特性研究的历史及现状，指出了存在的问题，并对今后的研究工作进行了展望。     

平板式结合面动态建模与参数识别方法

用有限元法对含有平板式结合面的结构进行分析时, 平板本身对结合面层的影响往往会被忽略, 误差也由此产生.针对这种平板结合面刚度的传统计算方法的缺陷进行修正, 综合考虑结合面层和结合面板两者的弹性, 推导出平板式结合面的综合单元刚度矩阵.此刚度矩阵能应用于结合面的有限元计算及动态参数识别当中.通过算例将这种方法与传统方法进行对比验证, 前者具有更高的精确度和可靠性.该方法可应用于此类结构的精确建模与分析, 为解决其振动问题提供手段.     

机床固定结合面等效刚度系数和阻尼系数的研究

研究了确定机床固定结合面的等效刚度系数和等效阻尼系数的新方法。采用迭代计算和动态测试相结合的方法，在多种不同结合面条件下进行了实验和计算，得到了大量的实用数据，并且建立了机床固定结合面的等效参数通用数据库。     

机械结合面动态参数的研究

本文对机床结构中典型的结合面——螺栓结合面进行了研究,用有限元法建立了结合部的动力学模型,对结合面动态参数的识别方法进行了理论分析和推导,在此基础上,编制了求解接触刚度和接触阻尼的计算机程序ISD1,通过程序与实验相结合的方法,识别出了结合面本身的接触刚度和接触阻尼,为整台机床的动态特性分析和动态优化设计奠定了基础。     

基于分形理论多孔含油介质结合面动态刚度研究

将含油结合面刚度分为固体接触刚度和液体油膜动态刚度2个部分,且2个部分为并联连接.利用接触分形理论,建立含油结合面固体法向接触刚度和结合面实际固体接触面积的关系模型;在此基础上,结合面间充满油的面积即为名义接触面积和固体实际接触面积之差,利用平均流动的广义雷诺方程,建立多孔含油材料固定结合面液体油膜法向动态刚度模型;两者并联即可获得含油结合面综合动态刚度模型.通过仿真计算和前期试验结果对比,验证该建模方法的正确性.研究表明:结合面间加入润滑油介质可以有效地提高结合面刚度;而利用多孔含油材料,即自润滑材料,是实现在结合面间加油的有效方案.     

机械结构结合面参数辨识的模糊方法

基于结构系统实验测试和各部件有限元分析 ,提出了利用模糊优化识别机械结构结合面参数的新方法 ,并给出了理论公式和算例分析. 该方法通过引入加权因子考虑了不同阶模态对不同 结合面参数识别精度的不同影响 ,同时也考虑了试验测试值与部件有限元模型中存在的不确定误差等因素而采用了模糊等式方程. 通过与传统的不加权最小二乘法比较表明 ,该方法克服了传统方法的一些缺点 ,能有效地提高结合面参数辨识精度 .     

某型数控车床床身结合面有限元建模及参数优化识别

在数控车床动态试验数据的基础上，应用有限元理论建立了机床床身底座结构的动力学模型，并应用有限元分析软件ANSYS5．7的参量化设计语言APDL(Ansys Parametefized Design Language)编制床身底座结构有限元分析的命令流，利用软件提供的优化模块(Design Optimizer)对结合面线性弹簧-阻尼单元的刚度值进行了参数优化识别。由此所建立的有限元模型较好地反映了机床的动力学特性，所获得的各阶固有频率计算值与动态试验的结果十分接近，最大相对误差不超过5％。因此，基于上述有限元动力学模型及动特性计算的结果，对于该型数控车床结构的进一步动态优化设计提供了重要的参考依据。     

基于BP-Network的机械结合面法向动刚度模拟方法的研究

分析了影响机械结合面法向动刚度的因素,讨论了其特性的定量描述并提出了虚拟特性定量描述法.应用BP(BackPropagation)神经网络给出了建立机械结合面与其基本影响因素间非线性关系的方法,模拟实例证明这种方法是可行的.     

平面结合面参数识别的研究

基于模型的正弦扫描频率响应函数测试、复模态分析、优化设计方法,提出了一种识别模型结合面特性参数的方法,该方法可以同时识别结合面之间的刚度和阻尼系数,已成功地应用于结合面参数的识别研究中.     

一般结合部刚度与阻尼参数的辨识

针对两侧均为弹性体的一般结合部，提出了一种基于实验模态参数的结合部刚度与阻尼参数的辨识方法．特别地，当弹性体内与结合部上存在部分难测模态分量时，给出了相应的辨识算法．该方法具有计算简单，易于编程，辨识精度好，实用性强等特点．     

基于Hertz接触的滚珠直线导轨副接触刚度建模与分析

为建立滚珠直线导轨副接触刚度模型,基于Hertz接触理论对滚珠和滚道的接触面进行了力学与变形分析.考虑了承载前后滚珠接触角的变化,得到了单个滚珠所受接触力与弹性变形之间的关系,在此基础上得到整个导轨所受外载荷同弹性变形的关系.以NSK滚珠直线导轨为研究对象,对所建立的模型进行仿真分析.计算了导轨在不同预紧力情况下的临界载荷,分析了外载荷在临界载荷前后导轨刚度变化情况,通过对比NSK官网相关资料验证了所建模型及理论分析的合理性.     

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。     

Modeling and Experiment on Contact Stiffness and Accuracy Analysis of Ball Linear Guide Feed Unit

直线滚动导轨进给单元刚度及误差分析建模与试验

张巍^1,2,王民¹,乐兵兵¹

(1.北京工业大学机电学院先进制造北京市重点实验室,北京 100124;

2.内蒙古科技大学工程训练中心,内蒙古 包头 014010）

中文说明：

随着精密数控机床的发展,迫切需要对机床的关键执行部件进行受力、变形及误差进行更精确的分析。

1）利用多体系统理论对滑块和工作台的对称中心建立坐标系,利用受力和位移平衡方程得到每一个滑块在三维坐标系中的变形量。在通过坐标变换得到工作台的变形量和误差量。

2）对直线进给单元滑块中的每一个滚珠的赫兹变形及受力进行分别求解,考虑了同时承载滚珠的数目。并考虑进给单元受力点相对对称中心的相对位置确定工作台的两直线度误差量和3个旋转量误差量。这对实际工作有积极借鉴作用,实际工况下,可根据切削力的大小和力的作用点的不同对进给执行机构进行误差补偿,从而得到更为精确的加工尺寸。

3）研究中使用高精度的三向力力学传感器（量程范围2kN）,利用激光传感器检测直线进给单元受力的微小变形,为更大限度的减小测量误差,试验装置还采用120度对称检测杆,分别测量3个位置的变形误差值,最后对3个误差值进行平均处理。得到的实验值与理论计算值相似程度更高。

     

基于刚度矩阵的桥梁损伤识别研究

结构损伤本质上是结构局部刚度和质量的改变,反映在结构动力特性上是模态参数的变化.针对桥梁损伤往往只是局部刚度改变的情况,提出一种基于结构及其子结构的刚度矩阵,利用固有频率和振型确定子结构刚度矩阵的改变程度,以及改变了刚度矩阵的子结构的位置,来判断桥梁损伤的位置及其程度的结构损伤识别方法.从识别结果看,该方法能对桥梁结构的损伤位置及其程度做出准确的识别.,     

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。     

承压界面接触特性超声检测

针对由于接触界面的非完好性, 使得超声波在接触界面处传播呈现非线性效应问题, 建立了一维纵波在承压界面传播的简化模型, 利用界面处超声波透射系数表征界面刚度.在不同压力下, 进行界面超声检测试验, 归纳界面刚度系数与压力的幂律系数.结果表明, 可利用超声波在接触界面的刚度系数和非线性系数等特征参数进行界面接触状态的评价.     

当前刚度系数在前屈曲分析中的应用

在有限元分析中,非线性问题最终都归结为求解非线性代数方程组.基于增量法的当前刚度系数,具有趋零特性.即随着载荷向临界点靠近,当前刚度系数单调收敛于零.利用这一特性,可以用以确定载荷增量步长,并利用前屈曲分析各解点上当前刚度系数值构造拉格朗日插值,用以确定临界载荷.最后,通过算例验证了本算法的有效性.     

超精密隔振系统的建模与参数辨识

根据超精密隔振器的内部结构和隔振系统的布置形式,建立了超精密隔振系统的动力学模型,并在此基础上推导出理论频响函数。提出了隔振系统的频响测试方法,根据测试数据的特征值,计算获得了隔振系统动力学参数的初始值。采用参数调整法,使理论频响曲线不断逼进实验频响曲线,从而辨识出隔振系统的动力学参数。实验和误差分析结果验证了动力学模型的有效性和辨识参数的可信性。     

集中剪切型系统的层间参数识别法

提出了一种集中剪切型系统的层间参数识别法。对于层状地基－基础－框架这一集中剪切型系统,将层间刚度和阻尼从总体系统中分离出来,依据最小二乘识别法则,导出了层间刚度和阻尼这些层间参数识别的递推方程,以此为基础建立了该系统的层间参数识别方法。并以人工模拟系统输入和输出的方法,对一位于三层粘性土上的框架结构系统,实施了参数识别的全过程。结果表明,所建立的系统参数识别方法,对识别初始值的要求较低,且具有良好的识别精度。