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.     

基于实验模态分析的铣削加工系统动力学 特性参数测试与分析

获取加工系统模态参数是进行铣削加工过程动力学仿真的先决条件。利用实验模态分析技术对机床-刀具系统或机床-工件系统进行锤击实验,通过力传感器和压电式加速度计采集激励与响应信号,再通过傅里叶变换和频响函数估算的方法获得加工系统的频响函数,最后通过正交多项式参数拟合获得工艺系统的模态参数。动力学特性参数测试分析结果,可为铣削过程动力学仿真提供所必须的可信数据。     

基于接触表面非均匀压强分布的栓接结合部动力学模型

针对栓接结合部在多螺栓耦合作用下接触表面压强不均匀分布的特点,提出基于接触表面非均匀压强分布的栓接结合部动力学模型。假设栓接接触表面在宏观尺度上为平滑表面,基于有限元方法获得表面压强分布规律。栓接表面微观尺度上为粗糙表面,采用分形接触理论,建立基于表面接触压强的栓接结合部法向和切向刚度阻尼模型。构建框型栓接结构件实验装置,并通过模态测试获得栓接结构件在不同预紧力下的固有频率和频响函数。与仿真结果进行对比,所提出的模型能够准确描述栓接结合部动态特性。     

齿轮传动系统扭振特性的灵敏度分析

本文研究了齿轮传动系统扭振固有频率及频响函数的设计灵敏度问题。对齿轮传动系统扭振动力学控制方程中时变的齿轮啮合刚度进行了分解．推导了系统扭振固有频率及频响函数相对于设计参数的灵敏度计算公式，这些设计参数可以是轴的扭转刚度、齿轮平均啮合刚度、阻尼及齿轮转动惯量等。这一方法可用于齿轮传动系统动力学优化设计。     

弱非线性系统的辨识方法

汽车前轮的独立悬挂系统是由摆臂机构、扭杆弹簧、阻尼器和悬挂质量组成的非线性系统。它是含有刚度非线性和阻尼非线性的弱非线性系统。本文介绍这种系统的频响函数测量和在随机激励下的平均线性化方法。作者分析了这个振动系统的超低频特性,给出了在不同激励信号电平下测得的频响函数曲线和平均次数之间的关系以及模态参数辨识结果。     

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.     

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。     

不同预紧力下栓接结合部法向等效特性

为了充分体现栓接结合部法向动态特性,将模型等效为匀质杆,并利用整体结构的边界条件、位移相容条件和作用力平衡条件建立栓接结合部法向等效动力学模型;然后,通过模态实验获得整体结构在不同预紧力下的一阶固有频率和阻尼比,辨识出在不同预紧力下栓接结合部等效刚度与阻尼的变化规律;最后,利用ANSYS有限元软件建立含有栓接结合部的整体结构模型,并与实验获得的整体结构一阶固有频率和振型进行比较,最大误差仅为4.73%,从而验证了该方法的正确性.同时,研究发现:随着预紧力的增加,等效刚度和阻尼也随着增加,当预紧力达到一定时,等效刚度和阻尼参数的变化趋势逐渐减小,并且结合部对整体结构的影响很大,尤其是在预紧力较低的情况下结合部的特性对整体性能影响更大.     

量子粒子群算法在结构模态参数识别中的应用

量子粒子群算法作为粒子群算法的改进,具有参数少、好编程、易收敛等优势而备受关注.通过将由结构输入、输出数据计算而得的实测频响函数与包含所需识别的结构模态参数的理论频响函数之差最小化作为优化目标,经过对理论频响函数中的结构模态参数搜索取值而使目标函数最小,此过程将结构模态参数识别问题转化为优化问题.采用量子粒子群算法进行优化而得到结构模态参数.为验证该方法的有效性,对一数值模拟的三层混凝土框架结构进行分析,结果表明,量子粒子群可以有效地识别结构模态参数.     

逆子结构传递路径分析方法

利用整车系统和子结构频响函数计算动力总成悬置动刚度,对振动信号进行小波降噪处理,结合工况振动参数计算载荷,然后进行振动或噪声传递路径分析。以一款微型客车为对象对该方法的有效性进行验证。结果表明,该方法与传统传递路径分析方法的精度相仿,但效率比传统方法提高了约50%。     

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．     

工业机器人动力学参数辨识与自适应控制方法研究

研究六自由度工业机器人动力学模型最小惯性参数辨识和模型参数自适应PD控制方法。首先分析六自由度机器人动力学模型及其最小惯性参数;研究基于位置、速度、加速度约束条件的傅里叶级数型激励轨迹优化方法;依据激励轨迹跟踪实验获取的关节角位置、速度、加速度和力矩数据,研究基于最小二乘的最小惯性参数估计方法。在此基础上,研究六自由度机器人模型自适应PD控制方法。最后,构建了基于Codesys平台的六自由度机器人控制系统,利用SYMORO+推导回归矩阵元素,结合Hadamard不等式,利用MatlabFunction函数生成目标函数并将其代入Matlab fmincon函数计算激励轨迹参数,通过激励轨迹跟踪实验辨识出最小惯性参数;通过机器人跟踪激励轨迹和验证轨迹实验,比较实测力矩与基于辨识模型估计力矩的均方根误差验证参数辨识方法有效性;通过期望轨迹跟踪实验验证了自适应PD控制算法可行性。     

数控机床导轨结合部动态特性参数优化识别方法研究

数控机床结合部动力学参数识别是机床动力学分析中至关重要的一个环节。针对企业精密卧式加工中心动力学设计的需要,在对该加工中心导轨部件进行模态试验的基础上,提出了一种将模态实验数据与有限元分析模型相集成的导轨结合部动力学参数的优化识别方法。该方法以试验所得各阶模态频率与阻尼比为优化目标,在Matlab与Ansys的集成环境下建立优化任务,采用基于Armijo搜索准则的拟牛顿BFGS算法对结合部动力学参数优化计算。导轨结合部动力学参数优化识别结果表明,所提出优化识别算法的收敛性好、精度能满足工程应用需要。     

基于窗口滑动总体最小二乘法的输电线路参数辨识

输电线路参数的准确度与电力系统稳定运行密切相关,而广域测量系统的发展为利用PMU实测数据获取线路参数提供了新的途径.提出基于滑动窗口总体最小二乘的线路参数辨识算法,该方法对PMU数据采取窗口滑动处理,将目标函数变为窗口误差平方和最小,因而抗噪声能力较强;同时,对于大量辨识结果的可信度分别进行核密度估计和点估计,以获取参数辨识值的统计结果.仿真分析表明,该方法与单时刻辨识相比在含噪声环境下仍然能够保持较高的准确性与稳定性.某电网500kV线路实测PMU数据计算结果也验证了该方法的有效性和准确性.     

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。     

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．     

低阶加纯滞后对象参数辨识方法

针对低阶加纯滞后对象,提出了通过递推自动调整遗忘因子最小二乘法辨识对象的动态参数,对输入、输出信号进行滤波后,利用先验知识对输出信号作还原处理,得到新的输出信号,增大输入、输出信号之间的相关性,根据互相关函数和性能函数相联合方法辨识对象的滞后参数。仿真结果表明,该方法对于低阶加纯滞后对象参数辨识是有效的,且具有算法简便快捷,实用性强的特点。