機(jī)械結(jié)合面基礎(chǔ)特性參數(shù)的理論、實(shí)驗(yàn)和建模研究.pdf

1、裝備制造業(yè)是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)提供技術(shù)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。近幾年，隨著現(xiàn)代機(jī)械日益向高速、高效、高精度和大型集成化發(fā)展，對(duì)機(jī)床等機(jī)械設(shè)備整機(jī)特性研究提出了更高的要求。因?yàn)闄C(jī)械零部件之間的結(jié)合面性能對(duì)整機(jī)裝備的靜、動(dòng)態(tài)特性、抗振性、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)敏捷性等性能有重要影響，因而結(jié)合面特性參數(shù)的研究對(duì)于提升高端裝備制造具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本文圍繞結(jié)合面基礎(chǔ)特性參數(shù)，從表面形貌描述和表征、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與搭建、結(jié)合面微觀接觸建模和分析、結(jié)合面接觸

2、特性的預(yù)測(cè)仿真等幾個(gè)方面進(jìn)行研究。
　　進(jìn)行了機(jī)械加工表面形貌的測(cè)量、描述和表征研究。通過(guò)表面形貌測(cè)量?jī)x測(cè)量了實(shí)際加工粗糙表面的二維和三維形貌。根據(jù)機(jī)械加工表面具有統(tǒng)計(jì)自相似和尺度不變性的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用M-B分形函數(shù)模擬了不同維數(shù)下的表面粗糙形貌，并對(duì)分形理論表現(xiàn)的自仿射性、尺度不變性等進(jìn)行了研究。通過(guò)幾種獲得粗糙表面分形維數(shù)方法的計(jì)算誤差比較，得出用小波變換的方法計(jì)算分形維數(shù)精度最高。提出采用工程常用的三種小波函數(shù)小波變換系數(shù)方法評(píng)

3、價(jià)表面形貌的分形特征，以M-B分形函數(shù)構(gòu)造的曲線為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)提取不同分解尺度下的小波系數(shù)，計(jì)算出各分形維數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)分形維數(shù)進(jìn)行對(duì)比和分析，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的計(jì)算小波函數(shù)、階數(shù)和分解尺度級(jí)數(shù)，這為結(jié)合面接觸剛度建模奠定理論基礎(chǔ)。同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的機(jī)械結(jié)合面試件的分形維數(shù)進(jìn)行了表征計(jì)算。研究表明:采用二階Daubechies和Symlets小波在分解尺度7級(jí)下各分形維數(shù)計(jì)算精度較高。
　　設(shè)計(jì)集靜、動(dòng)、熱于一體的特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4、，獲得了一定條件下的靜態(tài)法向、切向特性參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。在對(duì)結(jié)合面特性參數(shù)的影響因素、實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)和有限元分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了結(jié)合面特性參數(shù)法向和切向?qū)嶒?yàn)裝置以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng);給出了單位結(jié)合面靜態(tài)特性參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的獲取原理，獲取了不同結(jié)合面條件下特性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)擬合曲線，并由此計(jì)算出了部分材料在特定加工方法下的靜態(tài)法向和切向剛度計(jì)算公式。最后對(duì)結(jié)合面法向動(dòng)態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了部分結(jié)合面法向動(dòng)剛度和阻尼隨振動(dòng)頻率、動(dòng)態(tài)

5、相對(duì)位移幅值和法向載荷的變化規(guī)律。研究表明:對(duì)于結(jié)合面靜態(tài)接觸特性而言，法向和切向接觸剛度與載荷之間是指數(shù)函數(shù)關(guān)系;對(duì)于結(jié)合面法向動(dòng)態(tài)特性而言，激振頻率和動(dòng)態(tài)相對(duì)位移幅值對(duì)法向動(dòng)剛度的影響很小，法向面壓對(duì)結(jié)合面動(dòng)剛度具有非線性影響;振動(dòng)頻率和法向面壓對(duì)結(jié)合面的阻尼影響較大，且具有較強(qiáng)的非線性;相對(duì)位移幅值對(duì)結(jié)合面阻尼影響很小，幾乎可以忽略不計(jì)。
　　提出了基于分形幾何理論和接觸力學(xué)理論的結(jié)合面法向接觸剛度數(shù)學(xué)模型，揭示了分形維數(shù)、

6、尺度系數(shù)、塑性指數(shù)、材料等影響因素對(duì)結(jié)合面特性參數(shù)的影響規(guī)律。根據(jù)建立的粗糙表面分形幾何模型表征了結(jié)合面表面形貌特征參數(shù)，依據(jù)接觸力學(xué)理論將粗糙表面單個(gè)微凸體的接觸分為彈性、彈塑性和塑性三個(gè)階段，給出了相應(yīng)的接觸載荷、接觸面積和接觸剛度模型。將分形幾何和接觸力學(xué)理論有機(jī)地結(jié)合，根據(jù)所建立的微觀法向接觸剛度模型，仿真和分析了法向接觸剛度與法向載荷、接觸面積等主要量綱一因素間的關(guān)系，并分別以本文法向接觸剛度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作

7、為算例，對(duì)本文的接觸剛度理論模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和比較分析。研究結(jié)果表明:結(jié)合面法向接觸剛度與影響因素之間存在非線性關(guān)系，非線性程度的強(qiáng)弱受塑性指數(shù)影響，當(dāng)塑性指數(shù)值較小時(shí)，表面微凸體以彈性變形為主，此時(shí)，法向接觸剛度與影響因素之間存在非線性關(guān)系較弱，反之，隨著塑性指數(shù)的變大，這種非線性關(guān)系越明顯。通過(guò)算例對(duì)比分析，本文模型更與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合，表明了本文所建模型的合理性和有效性。
　　提出了應(yīng)用仿生學(xué)理論對(duì)結(jié)合面法向和切向剛度實(shí)

8、驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)建模的方法。針對(duì)傳統(tǒng)粒子群算法的易陷于局部極值和收斂精度不高的缺點(diǎn)，采用改進(jìn)粒子群算法訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)粒子群-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合優(yōu)化算法。針對(duì)影響結(jié)合面的主要因素進(jìn)行特征提取與特征描述。以實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為算例，對(duì)結(jié)合面法向和切向接觸剛度實(shí)驗(yàn)曲線和預(yù)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比和相對(duì)誤差分析。研究結(jié)果表明:MPSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有收斂性快，預(yù)測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)，改善了BP網(wǎng)絡(luò)泛化能力，提高了預(yù)測(cè)精度，算例結(jié)果表明，機(jī)械結(jié)