基于频响函数的螺栓结合部法向刚度辨识与实验研究

摘 要：机械结合部对于高速卧式加工中心的动态性能有着重要的影响,结合部动力学参数的正确辨识是建立其准确动力学模型的前提。为准确获取螺栓接合部的法向刚度,本文采用理论推导与现场实验相结合的方式,基于频响函数法对结合部动力学参数的辨识与等效方法进行了研究;定义了实验数据灵敏度的计算方法,并通过灵敏度实现了对实验数据的筛选,提取了有利数据和抑制了不利数据;在此基础上,构建了包含辨识公式的矛盾方程,并基于最小二乘思想求得方程的确定解,获得了结合部动力学的等效参数。最后,通过LMS噪声、振动测试系统进行实验,实验结果表明：本文提出的方法可有效提高结合部动力学参数的辨识和等效精度。     

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。     

基于频响函数的主轴-刀柄结合部参数辨识方法

主轴-刀柄结合部是主轴系统中的薄弱环节,直接影响机床的加工效率与工件表面质量,主轴-刀柄结合部的特征参数是评价主轴-刀柄系统连接性能的关键环节.基于频响函数的子结构耦合法是辨识主轴-刀柄结合部特征参数的有效辨识方法,以BT40型主轴-刀柄系统为研究对象,进行结合部特征参数的识别,采用最小二乘法对辨识模型进行求解,获得了不同拉刀力下刀柄-主轴结合部上不同位置的刚度,并对辨识结果进行了验证,研究结果将为刀柄系统的优化设计提供理论依据.     

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．     

基于螺栓结合的数控车削中心主轴箱静刚度研究

机床静刚度是机床的重要性能指标之一,机床刚度的评价和预测对机床结构设计和加工精度提高有重要意义。数控机床各部件之间存在大量的结合部,结合部的变形占机床总的静变形的85%,在进行机床静刚度分析时,结合部的设置对分析结果的准确性有很大影响。主轴箱与床身导轨之间存在大量的螺栓结合部,基于螺栓结合部利用有限元分析技术,对数控车削中心的主轴箱进行了静力学分析。同时采用一种可靠的检测方法,对此进行了静刚度检测实验。通过分析结果与实验结果的对比,验证了基于螺栓结合部的有限元仿真计算与分析结果的准确性以及分析方法和过程的有效性,为机床主轴箱的刚度预测、评价以及主轴箱的结构改进提供了分析及实验数据依据。     

考虑连接动态特性的子结构综合方法

在Jetmundsen基于频响函数的子结构综合方法的基础上,引入子结构间的相关项（各子结构间已连接的自由度）和连接部件的动态特性,提出了考虑连接部件动态特性的子结构综合方法.应用该方法对3个子结构进行了子结构综合分析实验,并给出其在结构优化设计中的一个应用.实验结果表明该方法正确有效.该子结构综合方法是Jetmundsen方法的改进,使子结构连接不再局限于刚性连接,并具有易于实现结构优化设计等优点.     

机床结合部参数的有效识别方法

在机械阻抗综合法的基础上推导出一种直接利用结构实测频响函数识别结合部参数的方法,通过多频率点的最小二乘法消除噪声的影响,提出了当结合面响应不能直接测量时的处理办法．该方法原理清晰,不需预先建立结构的解析模型（如有限元模型）,试验及测试计算都较为方便,尤其适用于大型复杂组合结构（如机床）结合部参数的识别．该方法在云南省科委八五攻关项目《Ｘ８１４０铣床动态设计》中用于对昆明铣床厂试制新产品×８１４０样机八个主要结合部参数的识别,得到了比较满意的结果．     

基于模态柔度的机床结合部动态刚度正交优化方法

针对合理分配机床结合部动态刚度的需要,提出一种基于模态柔度理论的机床结合部动态刚度优化方法.该方法通过计算机床各阶模态柔度比判定对机床动态特性影响显著的薄弱模态,建立以几个薄弱模态的最小模态柔度为目标函数的多目标优化模型.为提高优化计算效率,引入了灰色系统理论中的灰关联分析法与正交试验设计.以1台精密卧式加工中心为例,将该方法应用于立柱-主轴系统分布的直线导轨、滚珠丝杠和螺栓结合部动态刚度的优化设计,识别出X向直线导轨结合部动态刚度对机床动态特性影响最为显著,并确定了1组结合部动态刚度的最优解.数值仿真和试验结果验证了该方法的有效性与工程实用性.     

受轴向工作载荷紧螺栓联接的刚度特性

建立实际工程结构的功力学模型时,需确定其弹性元件的刚度特性。本文对受轴向工作载荷的紧螺栓联接的刚度特性进行了理论分析,给出了紧螺栓联接在轴向载荷作用下的过载条件。所得结论对于建立含紧镙栓联接的实际工程结构受轴向工作载荷时的动力学模型,具有普遍的指导意义。     

螺栓预拉力对柔性法兰连接节点刚度影响的试验设计

通过柔性法兰连接节点刚度的定义,研究了不同的螺栓预拉力在变电构架柔性法兰连接中的应用,分析了并设计了高强螺栓与高强度普通螺栓对法兰连接节点刚度影响的试验,指出了在试验设计时所需的注意事项.     

基于子结构中弯曲波的拉索索力识别方法

以轴向受拉修正Timoshenko梁模型为理论依托,从波的角度对拉索子结构的动力特性进行研究,分别讨论了近场波与行波,发现距离梁端一定距离或较高的频段可不考虑近场波的影响。基于梁结构中的行波传播特性,通过3个测点的频域响应,利用最小二乘法拟合得到波分量系数,再以拟合残差最小为目标进行拉索索力和抗弯刚度的识别。通过拉索振动的数值模拟实验验证了方法的精确性,索力与抗弯刚度值识别误差均不超过1%。相比传统的频率法,该方法基于子结构索力识别,不受减震器和边界条件的影响,而且可基于识别的子索段索力,通过静力分析反推拉索各个位置的索力,同时,在各频率采样点处均能识别出相应索力,减小了外部干扰对索力识别的影响。     

梁柱端板螺栓连接强度和刚度的有限元分析

对9个端板螺栓节点在单调荷载作用下的刚度和强度等性能进行了非线性有限元分析,总结了端板厚度和高度、螺栓布置以及柱翼缘和腹板厚度对端板螺栓节点连接强度和刚度的影响.     

基于子结构方法的PCB板支撑布局优化

根据PCB板结构的特点,利用自由度凝聚技术给出了元器件模型的自由度凝聚方法,并在此基础上利用于结构安装技术给出了PCB板支撑布局优化建模方法.该方法大大缩减了结构优化分析自由度的数量,并便于实现元器件组件计算结果的重用.提出了支撑点与PCB板节点不重合时的解决方法.利用遗传算法和ANSYS二次开发技术相结合,开发了支撑...     

基于多尺度理论的栓接结合部动力学建模

建立准确的栓接结合部接触刚度模型对预测数控机床的动态特性至关重要。本文提出了一种基于多尺度理论的栓接结合部刚度模型,首先使用一系列叠加的三维正弦波来描述粗糙接触表面多尺度特性,每个正弦波被认为是一层频率级,推导出接触面积比与频率级的函数关系,则整体刚度可以看作不同频率级串联的弹簧模型。然后,通过数值仿真分析了结合面法向接触载荷、材料特性参数以及多尺度参数对接触刚度模型的影响。最后,设计分段梁结构进行试验验证本文模型的准确性,通过力锤敲击试验获得栓接结合部在等同预紧力下的固有频率和振型,并与仿真结果对比,结果表明本文多尺度模型固有频率与试验频率之间的相对误差小于9.94%,表明多尺度模型可以有效地预测数控机床的动态特性。     

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。     

基于优化原理的框架梁柱合理线刚度比研究

在框架结构梁柱材料总用量为定值前提下,运用拉格朗日乘子法结构优化原理,当框架柱侧移刚度达最大值时,研究梁柱的合理线刚度比.其结论可作为初步设计阶段确定梁柱截面尺寸的依据,与传统估算及试算梁柱截面尺寸的方法不同,根据所导公式可计算得到较合理的梁柱截面尺寸,也可为类似工程梁柱线刚度比研究提供参考.     

一种基于不平衡力激振的动刚度测试方法

提出了一种隔振基础动刚度测试方法。该方法以不平衡力作为激振力,测试了不同转速下隔振基础沿径向的微振动位移,并分析了与转速同频的振动位移幅值,通过计算位移与激振力的比值,获得不同转速下隔振基础沿转盘径向的动刚度。运用该方法对某精密离心机隔振基础动刚度进行测试和分析。结果表明:隔振基础在1~5 Hz的动刚度为108N/m量级,动刚度随着频率先增大后减小。通过计算可知振动位移与不平衡力的相关系数为0.98,从而验证了采用不平衡力作为激振力的可行性。     

基于稳定函数的空间薄壁构件几何刚度矩阵

为真实描述结构二阶弹性分析中可能出现的侧扭屈曲变形和翘曲扭转变形,精确满足增量虚位移原理,结合梁柱法和有限单元法,基于更新拉格朗日构形的增量虚位移原理和三维空间薄壁构件理论,提出采用拉弯、压弯、纯弯及扭转状态下薄壁构件平衡微分方程的解作为插值函数,详细推导了考虑截面翘曲影响的空间薄壁梁柱单元的几何非线性切线刚度矩阵,推导过程中同时考虑了双向弯曲和扭转及其各耦合项对刚度矩阵的影响。并通过算例证实了文中方法的精确度和有效性。