基于子结构综合法的螺栓结合部切向动刚度优化辨识

针对基于频响函数辨识螺栓结合部等效动力学参数时出现的由于噪声信号等引起的不适定问题,提出优化辨识方法,以获取准确的等效动力学参数。忽略结合部非线性特性及耦合效应,将螺栓结合部等效为弹簧阻尼单元,利用子结构综合法建立螺栓结合部切向动刚度辨识方程式。通过LMS噪声、振动测试系统对试件进行激振实验,获取辨识所需频响函数。根据同时获得的相干函数对频响函数进行筛选,以消除噪声信号对辨识精度的影响,基于最小二乘的思想优化辨识出螺栓结合部切向动刚度。最后将辨识结果代入有限元模型中进行谐响应分析,通过实测频响函数与仿真频响函对比分析,结果表明本文所提螺栓结合部切向动刚度优化辨识方法具有较好的辨识效果。     

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。     

基于虚拟梯度材料的螺栓结合面建模方法

为准确分析螺栓连接件的动态性能,提出了一种基于虚拟梯度材料的螺栓结合面建模方法。将螺栓连接结合部等效为一种局部的虚拟梯度材料,虚拟梯度材料与被连接件皆为固定连接。通过有限元方法获得了螺栓连接结合面的接触压强分布情况,在此基础上,应用胡克定律,推导了虚拟梯度材料的弹性常量与径向位置之间的关系。采用分层法建立了基于虚拟梯度材料的螺栓结合面有限元分析模型,分别获取了固结、传统虚拟材料与虚拟梯度材料结合面表征下试件的理论模态,并开展模态实验,从振型和固有频率两方面进行了对比分析,验证了本文虚拟梯度材料建模方法的有效性。结果表明:虚拟梯度材料模型的模态与实验模态的前6阶振型一致,前6阶固有频率的相对误差数值都在10%以内,建模精度高。     

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.     

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。     

耦合结合面特性的重型数控龙门机床的建模

针对重型数控龙门机床中存在的大型结合面,提出了一种结合面建模的新方法.该方法基于有限元理论,对结构件和结合面分别进行建模.在结构件建模中将连续体有限元离散,在2个结构件结合面处划分足够密集且一一对应的单元和节点;在结合面建模中,采用2节点12自由度的单元对2个结构件结合面一一对应的节点进行连接,建立了2个子结构结合面处节点间拉伸、压缩与扭转关系的结合部空间单元模型,完成了结合部建模和子结构模型耦合.利用该方法并基于HYPERMESH和ANSYS软件实现了耦合结合面特性的某重型数控龙门机床的建模和分析.与忽略结合面特性的机床模型进行仿真分析和实验测试数据对比,验证了耦合结合面特性建模方法的有效性,解决了耦合结合面特性的龙门机床建模问题.     

基于特征的缸盖参数化建模及应用

目的　建立某柴油机缸盖的参数化实体模型, 并对其进行有限元动力学分析． 方法　利用特征技术建立缸盖的参数化模型, 最后用有限元模态分析法进行其模态参数的计算． 结果　实现了基于特征的缸盖参数化建模, 计算出前四阶固有频率及主振型． 结论　体现了基于特征的参数化建模在复杂结构的动力分析中的优越性, 为整机的动力学仿真研究奠定了基础     

转子分布不平衡和轴承特性参数同时辨识方法

针对转子模态动平衡的关键参数转子不平衡量和轴承特性参数难以确定的问题,提出一种基于轴承处振动响应的轴承特性参数和转子分布不平衡参数的同时辨识方法。以多项式函数描述转子质量偏心曲线,表征转子连续分布的不平衡质量;以有限元法建立转子/轴承子结构运动微分方程;采用虚功原理将连续分布的广义不平衡力转化为节点处的集中不平衡力并建立其与偏心曲线系数的关系,从而推导出轴承特性参数及质量偏心曲线系数的同时辨识方程,进而实现基于不同转速下轴承处的振动响应辨识出轴承特性参数和分布不平衡参数。以一个转子轴承系统为例进行了偏心曲线阶次对参数辨识的敏感度仿真,结果表明：偏心曲线阶次对参数辨识结果影响较小。以实测轴承处响应辨识得到的参数进行一阶模态动平衡实验,平衡后轴承处振动明显降低,验证了提出的辨识方法及其在模态动平衡中的有效性。     

有限元及系统识别建模法的探讨

本文探讨了用有限元法建立结合部物理参数未知的结构动力特性的数学模型,再用系统识别法识别结合部物理参数的建模方法。本文采用了单位脉冲响应函数法识别模态参数,由所建数学模型的特征方程识别结合部的物理参数。这种建模法实际地应用到了普通车床的主轴系统上,建立了主轴系统的三维有限元动力学模型。     

基于特征的缸盖参数化建模及应用

建立某柴油机缸盖的参数化实验模型,并对其进行有限元动力学分析。方法,利用特征技术建立缸盖的参数化模型,最后用有元模态分析法进行其模态参数的计算,结果实现了基于特征的缸盖参数化建模,计算出前四阶固有频率及主振型。结论体现了基于特征的参数化建模在复杂结构的动力分析中的优越性,为整机的动力学仿真研究奠定了基础。     

基于响应面方法的数控机床空间动态特性研究

机床运动部件位置姿态在加工空间的变化,造成机床质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵随之变化,导致机床动态特性预测具有复杂性和不确定性。针对加工空间机床动态特性的准确预测问题,本文提出一种基于响应面理论的数控机床空间动态特性研究方法。该方法以数控机床固有频率频率这一关键动力学性能指标为例,分析机床整机动态特性与机床位置姿态之间的数学关联关系,基于正交试验设计和响应面方法理论,构建预测广义加工空间数控机床动态性能变化的响应面模型,揭示机床动态特性在加工空间的演化规律,并在该响应面模型基础上提出机床动态特性影响因子概念,计算各方向运动部件的位移变化对机床动态特性的影响程度,共同确定机床最优加工位姿和加工路线。将该方法应用于一台三轴立式加工中心,采用正交试验设计确定移动部件的不同位置组合作为计算样本点,在ANSYS仿真软件中计算每个样本点的前5阶固有频率,建立反映位置特征与固有频率数值的二次多项式响应面模型,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,以此分析机床前5阶固有频率在加工空间的分布规律及其对x、y、z向位移变化的灵敏度,阐明机床空间位姿对机床动态特性有较大的影响,为机床工艺规划和优化设计提供了新的分析方法及技术支持。     

梁结构疲劳刚度退化对模态频率的影响

为了研究梁结构疲劳刚度退化对模态频率的影响,对预应力混凝土梁进行疲劳试验和动力测试,得到疲劳历程中疲劳刚度和模态频率的演化规律. 建立疲劳全过程变刚度有限元修正模型,并对其进行模态分析. 比较分析试验和模拟结果,讨论模态频率退化规律及疲劳刚度退化对其影响机制. 研究结果表明,梁结构模态频率具有类似抗弯刚度退化的三阶段衰减规律,表明疲劳刚度与模态频率退化存在映射关系;在疲劳作用下,第1阶频率的下降幅度最大,第2阶频率次之,第3阶频率的下降幅度最小;提出的变刚度假设在有限元模拟中运用良好,模拟结果显示第1阶频率模拟值的偏差基本在10%以内. 提出的疲劳全过程动力特性分析方法为梁结构疲劳分析研究提供了新思路.     

基于粒子群算法和投影追踪分析的干气密封动态特性优化

干气密封是轴类密封中重要的密封方式之一,尤其适用于对于密封可靠性要求较高的装置中。由于密封气膜与密封环的位置设计关系,浮动环的振动关系着密封气膜刚度值的变化,因此浮动环系统的动态特性影响着干气密封的可靠性。作者提出了一种基于粒子群优化（particle swarm optimization）与投影追踪分析（projection pursuit）相结合的动态特性优化方法;依据工况条件,建立浮动环系统预应力模态分析模型,对实验测试结果进行频谱分析验证模态分析的准确性;实验结果与分析结果证明,为提高干气密封可靠性,需对浮动环系统进行动态特性优化,选取浮动环系统中的轴向设计参数为优化参数,将响应面方法（response surface methodology）与Box-Behnken试验设计相结合分别获得优化目标和约束条件关于优化参数的完整2次多项式响应面模型,实现隐性关系显性化,采用粒子群优化算法以浮动环系统固有频率为优化目标函数,系统静变形为约束进行快速优化,在系统静变形量小于要求值的条件下,使得系统固有频率值增大到142 Hz,与原始固有频率值相比提高了20%,并获得了优化参数与固有频率的正反比关系,最后,通过投影追踪分析得到优化参数对系统固有频率的影响程度;基于粒子群优化算法与投影追踪分析相结合的优化方法将浮动环系统固有频率提高到高于所给工况最高转速8 000 r/min（133 Hz）并理论性获得结构参数对于系统动态特性的影响程度。     

基于Hypermesh的轻型货车车架动态特性有限元分析

为了获得货车车架的最佳结构方案,采用有限单元法分析了车架的动态特性。利用UG建立车架的三维装配模型,将模型导入Hypermesh,并进行结构简化、几何清理、抽取中面和划分网格,创建了车架的有限元模型。通过模态求解,获得车架的前6阶弹性模态参数,讨论了车架与路面、发动机等主要激励源的频率耦合关系,分析了车架在冲击载荷作用下的瞬态动力响应。结果表明需要加强板簧与车架连接处的局部刚度,在冲击载荷作用下,节点最大的位移响应值为0．44mm,且车架振动衰减规律符合设计要求。     

网壳结构地震反应分析的振型刚度法

提出振型刚度的概念,通过理论推导,建立振型刚度与结构振型特性之间的关系. 基于振型刚度,通过推覆分析构建非线性能力曲线,该曲线能够考虑结构整体响应而非依赖于特定节点和特征响应. 提出等效线性化迭代方法,结合地震反应谱,克服双线性模型实际耗能不一致的缺点,快速提高目标位移的求解精度. 在此基础上,建立网壳结构地震反应分析振型刚度法（MSPA）. 采用时程分析法（RHA）、传统推覆法（MPA）和振型刚度法（MSPA）计算球面网壳和柱面网壳算例的地震响应,研究结果表明：振型刚度法能较准确地预测结构节点位移、单元应力以及屈服杆件个数,计算精度满足工程要求,大大缩减了计算耗时.     

稀薄效应下空气静压主轴动态特性分析及试验研究

针对微尺度下空气静压主轴的动态特性问题,建立了体现稀薄效应的主轴有限元模型,对主轴的模态、谐响应进行了研究。首先,基于有限元法对主轴进行建模,轴承部分采用Combin14弹簧单元建模。接着,通过扰动法得出稀薄效应下以及传统情况下轴承的刚度、阻尼参数,将此参数替代主轴模态分析中采用的弹簧单元的刚度、阻尼参数,结合主轴实际工作状态,进而分析出两种情况下的主轴的模态结果。然后,对主轴进行谐响应分析,校核之前模态分析结果。最后,对主轴进行锤击模态试验,从而检验两种状态下的模态分析结果。实验结果表明：稀薄效应下分析所得主轴1阶固有频率值较试验测量值的误差只有3.6%左右,而传统情况下得出的1阶频率值的误差在15%左右,这对主轴系统以后的优化设计和精度控制方面具有一定的理论依据。     

锚杆-围岩结构的耦合振动和减振

锚杆支护是隧道施工中常见的支护手段,而随着施工工况日趋复杂,锚杆与围岩的组合结构也承受着各类动力荷载的影响。针对隧道中单根锚杆的受力特性有较多研究,而对于锚杆和围岩组合体的动力特性研究较少。对锚杆-围岩结构进行整体分析,简化出一种巷道顶板锚杆支护模型,结合动力学双梁理论,建立并求解出模型动力学方程;运用MATLAB软件进行数值模拟,研究不同支护参数下结构的自振特性以及在外荷载作用下的动力响应,提出减振措施;利用有限元软件GTS NX建立二维模型,验证支护体系的安全性。结果表明：锚杆-围岩结构的动力特性与锚固段长度、锚杆间距和锚杆直径有关。在所建模型中,随着锚固段长度与锚杆间距的适当增加,结构动力响应明显减弱;随着锚杆直径的变化,结构动力特性的变化情况较复杂,结构不同部位的动力响应变化趋势差别较大。     

燃机端面齿联轴器刚度特性参数化建模与实验

为研究刚度特性对重型燃机端面齿联轴器工作行为的影响,构建端面齿联轴器刚度分析参数化模型,对端面齿接触压力、扭转刚度、压缩变形等重要参数进行计算分析.采用有限元方法研究联轴器结构变形与刚度的变化规律.用实验装置对联轴器的变形和刚度进行了直接测试,刚度模型计算结果与有限元结果以及实验结果吻合较好.研究结果表明:螺栓预紧过程中端面齿及轮盘圆柱发生了不同程度的扭转,导致联轴器各部件刚度特性各有不同,其中端面齿压缩刚度随预紧力增大明显增大,而其它部件的刚度略微减小.由于扭转的存在,端面齿联轴器在变形、刚度变化规律、接触应力及接触状态等特征上有别于一般的联轴器.     

一种麦冬收获机车架的随机振动分析

为掌握麦冬收获机车架的动态特性,对其进行C级路面上的随机振动分析,建立一种麦冬收获机车架的有限元模型,并基于ANSYS Workbench软件进行模态分析,提取出车架的固有频率,在C级路面随机激励的情况下,采用模态叠加法求解出该车架的应力、位移云图,得到随机振动激励下最大振幅处的位移、速度、加速度响应曲线,进而了解其动态特性,从而为车架的结构优化提供有效的理论参考依据。