螺栓结合部切向刚度计算模型建立及分析

对于栓接结合部来说,当前的研究主要集中在栓接结合部整体法向刚度的研究。由于栓接结合部的切向刚度对整机静态特性也起着至关重要的作用,因此,要实现对栓接结合部静态特性的全面解析,还需提出一种计算栓接结合部切向刚度的方法。以栓接结合部法向刚度求解模型为基础,提出一种计算栓接结合部切向刚度的解析模型。最后分别通过解析计算及有限单元法对具体实例进行计算,结果表明:计算模型获得的栓接结合部的整体位移值等于8.3917e-4m,而有限元计算的结果为3.19e-4m,两者存在一定的偏差,主要原因在于有限元分析中考虑了摩擦力的影响。而在考虑摩擦力影响的情况下,数学模型计算出的总位移数值为3.104e-4m,与有限元的计算结果误差较小,故可证明所提数学模型的可行性。内容为机械系统中螺栓结合部综合刚度的求解奠定了一定的理论基础。     

切向载荷下螺栓结合部静特性分析及试验

为了准确理解螺栓结合部静态特性,基于结合面基础特性建立了螺栓单元结合面解析数学模型,提出了一种等效分步载荷解析算法,可以实现在结合部承受切向载荷时,无需考虑载荷间耦合关系就能对结合部力平衡非线性隐含积分方程组进行快速准确求解。采用自行设计的螺栓结合部切向加载装置进行了结合部扭转和剪切加载试验。试验与解析结果均表明,在切向载荷不超过最大静摩擦力的情况下,螺栓结合面切向变形与外载荷成线性关系。解析与试验结果的一致性验证了模型的正确性,为机械结合面静态特性分析提供了理论和试验支持,求解算法可方便地将结合面研究成果应用于工程实践。     

子结构综合法辨识结合部的特征参数

为了获取结合部的等效刚度与阻尼参数,采用子结构综合法来建立结合部辨识方程式,利用模型更新的方法修正已知模型,使修正的模型与已知模型等效,并利用修正的模型来获取所需的频响函数,从而根据完备频响函数辨识出结合部参数.为了保证数值计算的稳定性,采用最小二乘原理将矛盾方程转化为定解方程,并引入加权的概念,使得被测数据能够充分利用.最后通过两个仿真算例来验证该方法的可行性和工程实用性.仿真结果可以看出,该方法具有较高的辨识精度.     

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。     

机床螺栓结合部等效材料法向接触弹性模量的分形模型

根据赫兹接触理论首次提出了单个微凸体的正应力-正应变本构关系,给出了两个微凸体之间互相作用的法向接触弹性模量。考虑表面粗糙度和载荷分布的不均匀性,根据MB模型给出了结合部等效材料的总法向接触条件弹性模量、总条件法向载荷的解析解。在弹性范围内,结合部等效材料的总法向接触弹性模量是以下10个输入参数:两接触表面的2个弹性模量、2个泊松比、表观压应力、表观面积、较软材料的硬度、较软材料的屈服强度、分形粗糙度参数、分形维数的复杂函数。总法向接触弹性模量基本上线性地随总法向表观压应力的增加而增加,还非线性地随分形维数的增加而增加,但非线性地随表面粗糙度的减小而增加。     

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。     

螺栓结合部接触面域的融合绑定建模方法

为提升复杂结构体模型在线动态监测与实时更新的精度,提出了一种螺栓结合部接触面域的融合绑定建模方法。建模过程中,由配对子结构在接触面两侧各提供一 部分单元组成接触面域单元,通过对该区域单元进行等效处理,使其满足各向同性条件,而接触面域单元之间则被构建为融合绑定接触连接。该建模方法最大的优点是可以有效避免增加结合部模型求解的自由度数,节约计算资源且参数识别方便,通用性较强。为保证计算模型与物理模型具有协调一致的精度,建模过程中考虑了螺栓螺母及传感器附加质量对建模精度的影响,并引入多目标遗传算法对结合部的物理表征参数进行了优化识别。结果表明：前6阶实验振型和仿真振型完全一致,相应固有频率相对误差的绝对值均在10%以内,说明该建模方法能够较为有效地解决工程实际中结合部的动力学建模问题。     

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%。     

多载荷历程作用下螺栓结合部特性实验及分析

以往对结合部刚度特性的研究多着重于不同粗糙度结合部的横向对比,较少或忽视了同一结合部在载荷作用下多次循环历程加载时加载前后刚度特性的纵向对比,以及忽视多次循环历程加载时加载前后表面部分微凸体高度变化的纵向对比。实际上,不论刚度特性还是界面部分微凸体,在多次载荷历程作用下都会变化,这就使预测设备的动静态性能复杂化。针对这一问题,本文基于实验研究了粗糙表面单元螺栓结合部刚度特性在循环载荷历程作用下的变化规律,为量化研究和更好的应用这一规律,对本文各载荷历程曲线进行了数值拟合。纵向比较研究发现：单元结合部刚度特性随载荷作用历程循环次数的变化而变化,即：随着载荷历程作用次数的增加,单元螺栓结合部变形减小,结合部刚度增加。为进一步了解刚度特性变化的机理,还对结合部接触表面进行了载荷作用后的显微镜观察,发现结合部螺栓孔附近的表面部分微凸体高度在螺栓多次循环预紧力作用下有不同程度的塑性变形。     

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。     

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。     

加工中心机床滚珠丝杠结合面的动态特性

研究加工中心机床滚珠丝杠动结合面的动态特性，运用机械阻抗凝聚法和子结构综合法，建立了该结合面的力学模型。据此提出动特性设计方法，并在改变两种工况参数的条件下，识别出７种不同外载荷与５种不同预紧载荷时的结合面动态参数数据，供整机ＣＡＤ系统使用。     

基于响应面法的滑动结合面动态特性参数优化识别

针对机床滑动结合面动态特性参数识别困难和现有方法模型复杂、计算量大等问题,提出了基于实验模态分析和响应面法的动态特性参数优化识别方法。通过试验设计获取样本点构造滑动结合面的多项式响应面模型,以响应面的计算结果与实验模态分析结果的相对误差构造目标函数,采用自适应模拟退火算法优化求解,从而识别出滑动结合面的动态特性参数。以机床动态特性分析实验台上立柱导轨与滑座间的滑动结合面为实例进行了建模、实验、参数识别等分析。结果表明,采用所提出的方法可实现较高的识别精度,可显著提高识别效率。     

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。     

法兰连接系统应力分析

建立了法兰连接系统的有限元模型,分析了垫片在预紧作用下和逐渐加内压以及外弯矩情况下的应力场分布。研究表明,垫片应力在预紧力作用下,随着内压的升高,垫片应力沿径向分布趋于不均匀,螺栓具有不容忽视的弯曲应力。数值计算结果与PVRC（美国压力容器委员会）实验进行了比较,两者结果接近。     

基于模型的螺栓松动状态监测方法

基于现有的模型损伤识别技术,提出了一种两阶段的螺栓状态长期在线识别方法:第1阶段识别螺栓连接中是否存在扭矩降低,设定了基于模态应变能的新损伤指标,并讨论了螺栓松动中非线性的表现;第2阶段识别松动螺栓的残余扭矩,以试验测得的前3阶局部振型,通过灵敏度修正识别螺栓连接中BEAM单元的弹性模量,建立了螺栓残余扭矩与BEAM单元弹性模量之间的对应关系;最后,使用两块通过螺栓连接的矩形钢板验证了该方法的有效性。试验结果表明,该方法能够快速识别出扭矩的降低,并识别其残余扭矩值是否已低于安全范围。     

一种铰链式气动缓冲性关节的建模与动态仿真

提出一种结构新颖的、弹性波壳伸缩的缓冲性手指关节,关节具有缓冲性好的特点,多关节可组合成操作机械手。文中给出了关节的基本结构和工作原理,结合受力分析,建立了关节角位移与弹性波壳内腔的气体压力之间关系的数学表达式与静力分析算法,同时确立了关节角位移的动态模型,并进一步根据示例进行静态分析与动态仿真。