一种有效的螺纹固定结合部有限元建模方法

针对结合面压力不均匀分布对结合部建模精度存在影响,给出了一种基于结合面压力不均匀分布的螺纹固定结合部动力学建模方法.首先,利用Ansys对施加预紧力的装配体整机进行静力学分析,提取结合面处的节点、单元信息及压力分布,基于节点间距离最短的原则对上、下结合面中的节点进行匹配,在匹配好的两节点间建立Matrix27刚度、阻尼...     

连接件非均匀面压结合部动态性能建模与分析

基于栓接结合面非均匀面压分布与分形接触理论,通过静力仿真获得了结合部非均匀面压的分布规律,建立了结合面的动态参数的动力学模型,并将结合面的动态参数换算为虚拟材料的弹性模量、切变模量及泊松比等材料属性参数。提出了考虑结合面非均匀面压影响的栓接结合部有限元模型,结合有限元分析获得栓接结合部的理论模态频率及振型。将理论与实验模态相比较,所提出的模型能够准确地描述机械结合部的固有频率及振型等动态特性,可应用于提高数控机床整机的动态性能建模分析准确性。     

基于汽车座椅导轨试验模态的结合部刚度优化

汽车座椅导轨结合部的刚度决定着导轨的主要动态特性。以某型号汽车座椅导轨为研究对象,运用有限元分析和模态试验方法对导轨结合部刚度进行优化。在导轨有限元模型中,用刚度阻尼单元模拟钢珠与导轨内外轨之间的接触。以试验模态固有频率作为目标,弹簧刚度作为设计变量,运用优化软件OptiStruct优化接触部的等效刚度。用优化后的等效刚度参数对导轨进行重新建模,结果表明该方法能够提高有限元动力学模型的建模精度,较好地解决了结合部建模时动力学参数的获取问题。     

数控机床固定结合面的建模与特征参数识别

结合面的建模是结合面特征参数识别的关键问题.结合面建模时,分别用传统方法(基于弹簧-阻尼单元)和改进方法(基于接触单元和弹簧-阳尼单元)进行建模.根据两种等效模型,分别建立CK1632数控机床床身与底座固定结合面的有限元模型,用有限元分析软件ANSYS10.0进行模态分析,同时进行结合面参数的优化设计,先优化出刚度,再优化出阻尼值.模态振型分析的结果表明,基于接触单元及弹簧-阻尼单元的结合面模型比较合理.利用ANSYS的命令流输入方法计算出结合面的参数识别结果.这对机床整机动态特性的分析和优化设计具有重要意义.     

主轴转子系统动力学解析建模方法

传统上主轴转子系统动力学模型中的结合部接触刚度和阻尼系数常通过试验识别的方法来获取,针时该方法通用性差的特点,提出一种可以考虑刀具-夹套、夹套-刀柄以及刀柄-主轴结合部接触特性的主轴转子系统动力学解析建模方法。通过对各联接部件的受力分析,建立结合面接触刚度与各结合部夹紧力和几何参数间的影响关系;考虑到转子系统的轴向、径向和弯曲变形,采用均布2节点6自由度的弹簧-阻尼单元来建立结合部动力学模型;通过综合系统各部件和结合部的动力学方程参数,建立起主轴转子系统的动力学模型。以刀具-BT40刀柄-主轴为对象,进行模态测试。试验结果表明,结合部刚性处理时,系统的前三阶固有频率与试验值最大误差为21.7%;而结合部柔性处理时,系统前三阶固有频率与试验值最大误差降为4.8%,并且根据模型计算得出的刀尖点频响函数与试验测试能更好地吻合,验证了该建模方法的准确性。     

基于等效横观各向同性虚拟材料的固定结合部建模方法

为提高固定结合部的建模精度以及通用性,考虑固定结合部在法向和切向的不同特性,提出利用横观各向同性虚拟材料等效的固定结合部动力学参数化建模方法,将固定结合部两接触面的微观接触部分等效为一种等截面的横观各向同性虚拟材料,等效虚拟材料与两侧零件均为固定连接。基于接触分形理论和固定结合部接触刚度分形模型,根据横观各向同性材料弹性常数的定义,理论推导了等效虚拟材料弹性常数以及密度的理论计算模型。在此基础上,对具有固定结合部的试验模型进行了有限元建模与模态分析,进而将理论分析模态与试验模态进行比较,结果表明:试验模型的理论模态与实验模态的前6阶振型完全一致,相应固有频率的相对误差的绝对值在10%以内,说明了建模方法的正确有效性,为数控机床固定结合部动力学建模提供了一种新的方法,实现了固定结合部动力学建模与有限元分析软件的无缝衔接集成。     

基于能量分布的机床整机动态特性优化方法

基于机床结构中的能量分布,在准确建立立式加工中心整机有限元模型的基础上提出一种整机动态性能优化方法。采用弹簧阻尼系统等效结合部的接触特性,基于辨识的结合部等效刚度和阻尼值在Ansys中建立了立式加工中心整机有限元模型,对整机进行模态分析和谐响应分析。通过整机模态试验验证了该有限元模型的准确性,并根据有限元分析与试验结果确定整机的薄弱模态。计算薄弱模态下整机、结合部的弹性能以及结合部在整机中的弹性能分布率,以分布率较高的结合部作为薄弱结合部。基于薄弱结合部的等效接触刚度提出优化方案,优化后薄弱结合部的弹性能分布率明显降低,主轴轴端的动态响应幅值降低,从而使整机动态性能得到改善,验证了该优化方法的可行性。     

机床结合部特性的理论解析及应用

对机械结构的结合部特性进行了理论解析,从基本的动力学方程出发,推导出单平面结合部静位移与结合部受力之间的关系,进而转换为静刚度的表达式;并基于一个振动周期中某方向的输入能量与阻尼消耗的能量相等的概念,推导出单平面结合部阻尼的表达式。将机械结构中的多平面结合部,看成是多个单平面结合部的组合,而将回转结构等效为正多面体。由此,在机床结合部结构形式、受力大小确定的条件下,可以计算出结合部的等效结合刚度和阻尼。为了在机床整机动力学建模中融合结合部的特性,给出刚性结合和柔性结合两种情况下的协调方程。通过对XK712B立式镗铣床的整机建模和计算,并与试验结果进行比较,结果表明,综合静刚度相对误差的绝对值小于5%,固有频率相对误差的绝对值小于9%。将结合部特性融合到机床整机模型中,可以更精确地预测机床整机的综合静动态特性。     

基于接触单元的磨床螺栓连接面有限元建模与模型修正

以接触单元和弹簧－－阻尼单元建立了磨床螺栓连接件的结合面动力学有限元模型。并以前3阶试验模态及有限元模型理论计算的固有频率均方差最小为目标函数,对包含接触单元和弹簧－－阻尼单元的结合面特征参数进行优化,在此基础上修正并取得更为符合实际的结合面动力学模型,这对机床结构的动态优化设计具有重要意义。     

基于模态试验的导轨滑块结合面分析与有限元仿真

导轨结合面是机床结合面的重要组成部分,机床的整机动态特性分析在很大程度上取决于如何正确处理机床导轨的结合面.文中运用三维建模软件SolidWorks和有限元分析软件ANSYS Workbench 12建立模型,采用弹簧-阻尼模型简化处理结合面,并对导轨滑块系统进行有限元仿真和模态试验,得到滑块的固有频率和模态振型,对比两种结果是否一致,从而验证了导轨结合面处理模型的正确性,并对导轨滑块结构提出了改进建议.     

基于高效深切磨床轴承主轴系统的有限元分析

针对实验室研制的高效深切磨床动静压轴承主轴系统,首先利用计算流体力学软件CFX,对动静压轴承的油膜进行稳态分析,得到油膜上的压力分布。通过在不同的小位移和速度扰动的情况下轴承油膜承载力的变化规律,依此来确定轴承油膜的刚度和阻尼系数。在ANSYS中,采用Ma-trix27单元来模拟动静压轴承油膜的刚度和阻尼作用,并对主轴进行模态分析。结果表明,在微小的位移扰动和速度扰动的情况下,油膜的弹性力和阻尼力近似为线性的,主轴模态有限元计算结果与实测结果基本一致,证明了该分析方法的正确性。     

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。     

Identification of the dynamic parameters of active magnetic bearings based on the transfer matrix model updating method

The stiffness and damping coefficients of Active magnetic bearings (AMBs) have a great impact on the dynamics of a high-speed rotor AMB system, from its bending critical speed to the modes of its vibration and stability. To accurately obtain the stiffness and damping coefficients of AMBs, this study proposes a new identification approach based on the transfer matrix model updating method. By minimizing the error between the unbalance response calculated through the transfer matrix approach and the experimental measurements, the stiffness and damping coefficients are obtained using the simplex optimization algorithm based on the updating method of the model. According to the experimental data, we identify the parameters from 20 Hz to 260 Hz (1200 rpm to 15600 rpm). To verify the identified results, a finite element rotor AMBs model is created, and the theoretical unbalance response is predicted using the identified parameters. The theoretical unbalance responses closely coincide with the experimental measurements, indicating the effectiveness of the proposed method.     

机床导轨结合部的有限元模型

基于结合面特性参数，提出了机床导轨结合部特性仿真分析的有限元方法，通过该方法可以建立机床整机性能分析的有限元模型。给出了导轨结合部上反映界面连接特性的六结点接触单元的刚度矩阵，并将其与通过实验获得的结合面特性参数联系起来，通过实例建立了机床整机分析模型。整机刚度的实验结果与计算结果的比较，证实了该方法的有效性。     

一种流体驱动式模块化软体仿生象鼻关节变刚度结构设计及仿真分析

在兼顾软体抓持装置顺应性的前提下,为进一步提升其承载能力,提出一种采用磁流变液变刚度控制的流体驱动式模块化软体仿生象鼻机构。建立了仿生象鼻关节变形量和刚度理论数学模型;利用有限元分析方法基于Yeoh模型对不同结构参数的仿生象鼻关节进行了变形仿真分析,在相同压力下优选出了变形量最大的模型结构和确定了最佳输入气体压力值;对关节变形后两端电磁铁的叠加磁场分布进行了有限元仿真,通过分析磁场分布均匀性初步确定了两端电磁铁形成磁场的最佳距离即关节长度;最后对不同长度关节进行了变形仿真分析,综合考虑磁场分布均匀性和变形量,通过两者的最优组合确定最终关节长度,验证了仿生象鼻的多自由度变形和可变刚度特性。     

考虑微凸体水平距离分布及相互作用的结合面法向接触刚度建模

在涉及微凸体侧接触的粗糙表面接触建模过程中,通常需要假定微凸体之间侧接触的角度分布规律。提出一种考虑微凸体水平距离分布及相互作用的结合面法向接触刚度建模方法,该方法不再需要假定角度分布规律,而是基于首次发现的单个粗糙表面微凸体水平距离正态分布规律,根据统计学理论进行考虑微凸体相互作用的结合面法向接触刚度建模。对模型进行数字仿真发现：结合面法向接触刚度与接触载荷均随着微凸体水平距离标准差的减小而增大,并且考虑微凸体相互作用会使得结合面的法向接触刚度减小。结合面法向接触刚度随弹性模量的增大而减小,随材料硬度的增大而增大。通过有限元仿真结果与模态试验结果对比可知,基于模型的有限元仿真前三阶固有频率与试验所得结果基本吻合,并且误差相对GZQ模型更小。旨在通过研究单个粗糙表面微凸体水平距离分布,突破侧接触建模时接触角度分布函数仍需假设的理论瓶颈,为更加准确地预测结合面接触特性奠定基础。     

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.     

Analysis of dynamic characteristics of structural joints using stiffness influence coefficients

This paper proposes a new modeling method for joints in mechanical structures in order to reduce the errors in eigenvalue analysis due to joint modeling. The new modeling method uses both a stiffness influence method and a condensation method to obtain the dynamic characteristic matrix of the joint region. It also employs the displacement and reaction of finely modeled finite element analysis in the calculation of stiffness influence coefficients. In order to check the validity of the proposed method, natural frequencies and mode shapes of a simple structure with a bolted joint are investigated by the proposed method and by experiments. The eigenvalue analysis using the proposed method shows more accurate results than that using rigid joints modeling, when the natural frequencies are compared with the experimental results. In addition, the differences between the natural frequencies obtained by the proposed method and those by the rigid joints modeling are notable in the modes where the joint has elastic deformation.     

Interface contact pressure-based virtual gradient material model for the dynamic analysis of the bolted joint in machine tools

Bolted joints have significant influence on the dynamic characteristic of the machine tool assembly. This study proposes a new modeling method using virtual gradient material. On the basis of Hertz contact theory and fractal geometry theory, the relationship between contact stiffness and normal contact load is deduced. The contact pressure distribution at the interface is obtained through finite element contact analysis. An orthogonal material model is introduced to describe the properties of virtual material. The virtual material is divided into several layers, and the elastic modulus and shear modulus in each sub-layer are derived based on Hooke’s Law. Both experimental and theoretical results for a bolted lap structure are obtained. The experimental results are compared with theoretical ones in terms of qualitative comparison of similar mode shapes and quantitative comparison of corresponding natural frequencies. The comparison shows that the theoretical first three-order vibration mode shapes are in good line with the experimental ones. The relative errors of corresponding natural frequencies between the virtual gradient material model and the experiment are less than 9%, which are smaller than those between the traditional virtual uniform material model and the experiment. The proposed virtual gradient material method would be useful to accurately model the bolted joint in CNC machine tools.