機(jī)械結(jié)合面基礎(chǔ)特性參數(shù)的理論、實驗和建模研究.pdf

1、裝備制造業(yè)是為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(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。因為機(jī)械零部件之間的結(jié)合面性能對整機(jī)裝備的靜、動態(tài)特性、抗振性、運(yùn)動響應(yīng)敏捷性等性能有重要影響，因而結(jié)合面特性參數(shù)的研究對于提升高端裝備制造具有重要理論意義和應(yīng)用價值。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、實驗平臺設(shè)計與搭建、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)測仿真等幾個方面進(jìn)行研究。
　　進(jìn)行了機(jī)械加工表面形貌的測量、描述和表征研究。通過表面形貌測量儀測量了實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。通過幾種獲得粗糙表面分形維數(shù)方法的計算誤差比較，得出用小波變換的方法計算分形維數(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

3、價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)，通過提取不同分解尺度下的小波系數(shù)，計算出各分形維數(shù)，并將計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)分形維數(shù)進(jìn)行對比和分析，實現(xiàn)了最優(yōu)的計算小波函數(shù)、階數(shù)和分解尺度級數(shù)，這為結(jié)合面接觸剛度建模奠定理論基礎(chǔ)。同時，對實驗獲得的機(jī)械結(jié)合面試件的分形維數(shù)進(jìn)行了表征計算。研究表明:采用二階Daubechies和Symlets小波在分解尺度7級下各分形維數(shù)計算精度較高。
　　設(shè)計集靜、動、熱于一體的特性參數(shù)實驗平臺

4、，獲得了一定條件下的靜態(tài)法向、切向特性參數(shù)和動態(tài)特性參數(shù)。在對結(jié)合面特性參數(shù)的影響因素、實驗特點和有限元分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了結(jié)合面特性參數(shù)法向和切向?qū)嶒炑b置以及相應(yīng)的實驗測試系統(tǒng);給出了單位結(jié)合面靜態(tài)特性參數(shù)和動態(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)的實驗擬合曲線，并由此計算出了部分材料在特定加工方法下的靜態(tài)法向和切向剛度計算公式。最后對結(jié)合面法向動態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行了實驗研究，得到了部分結(jié)合面法向動剛度和阻尼隨振動頻率、動態(tài)

5、相對位移幅值和法向載荷的變化規(guī)律。研究表明:對于結(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;對于結(jié)合面法向動態(tài)特性而言，激振頻率和動態(tài)相對位移幅值對法向動剛度的影響很小，法向面壓對結(jié)合面動剛度具有非線性影響;振動頻率和法向面壓對結(jié)合面的阻尼影響較大，且具有較強(qiáng)的非線性;相對位移幅值對結(jié)合面阻尼影響很小，幾乎可以忽略不計。
　　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微凸體的接觸分為彈性、彈塑性和塑性三個階段，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驗結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)中的實驗結(jié)果作

7、為算例，對本文的接觸剛度理論模型計算結(jié)果進(jìn)行實驗驗證和比較分析。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，表面微凸體以彈性變形為主，此時，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。通過算例對比分析，本文模型更與實驗結(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)理論對結(jié)合面法向和切向剛度實

8、驗數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真預(yù)測建模的方法。針對傳統(tǒng)粒子群算法的易陷于局部極值和收斂精度不高的缺點，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。以實驗結(jié)果作為算例，對結(jié)合面法向和切向接觸剛度實驗曲線和預(yù)測曲線進(jìn)行對比和相對誤差分析。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)測精度高的優(yōu)點，改善了BP網(wǎng)絡(luò)泛化能力，提高了預(yù)測精度，算例結(jié)果表明，機(jī)械結(jié)