螺栓連接力學(xué)特性建模及在數(shù)控刀架系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、現(xiàn)代數(shù)控裝備正在向高速、高精度、高可靠性方向發(fā)展，而機(jī)床功能部件性能保持能力在很大程度上阻礙了我國機(jī)床行業(yè)的發(fā)展。數(shù)控刀架作為最重要的功能部件之一，其動(dòng)、靜態(tài)特性在很大程度上直接影響和決定機(jī)床整機(jī)的精度和剛度匹配。相關(guān)研究表明螺栓結(jié)合面對機(jī)床整機(jī)以及數(shù)控刀架力學(xué)特性影響顯著。螺栓連接成本低、制造簡單，并廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代裝備結(jié)構(gòu)中，螺栓連接的動(dòng)態(tài)特性直接影響整機(jī)的性能。螺栓連接力學(xué)特性的建模方法一直是機(jī)床及數(shù)控刀架整機(jī)建模研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2、
　　為了建立較為準(zhǔn)確的整機(jī)模型，必須對螺栓固定結(jié)合面的建模方法以及非線性力學(xué)行為進(jìn)行研究。本文在國家科技重大專項(xiàng)(No.2012ZX04002032,No.2013ZX04012032)的資助下開展螺栓固定結(jié)合面建模方法和非線性特性分析的研究和探索工作。從螺栓固定結(jié)合面的有限元建模方法研究出發(fā)，對螺栓固定結(jié)合面的動(dòng)態(tài)特性和非線性振動(dòng)開展研究工作。圍繞預(yù)緊力、外載荷和螺栓設(shè)計(jì)參數(shù)對螺栓連接動(dòng)力學(xué)特性影響、螺栓固定結(jié)合面非線性參數(shù)識

3、別方法、螺栓固定結(jié)合面非線性動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)以及螺栓固定結(jié)合面有限元建模在數(shù)控刀架端齒盤結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化等關(guān)鍵問題逐步展開研究。論文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　1、研究了7種不同的螺栓有限元建模方法，包括預(yù)緊力模型、熱應(yīng)力模型、梁單元模型、MPC約束法、剛性連接模型、等效接觸面積方法、虛擬材料模型等，并通過模態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證建模方法的準(zhǔn)確性。以模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，對比和討論了不同螺栓連接有限元模型的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)數(shù)控刀架整機(jī)建模和端齒盤結(jié)構(gòu)

4、優(yōu)化分析提供研究手段和依據(jù)。
　　2、通過掃頻和脈沖激勵(lì)實(shí)驗(yàn)方法研究螺栓結(jié)合面動(dòng)力學(xué)行為，研究預(yù)緊力和外載荷力等因素對螺栓固定結(jié)合面振動(dòng)傳遞特性的影響。分析結(jié)果表明，螺栓連接結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性直接受到預(yù)緊力和外載荷的影響，并表現(xiàn)出不同程度的非線性，這為后續(xù)螺栓固定結(jié)合面非線性動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和參數(shù)識別方法的研究提供了重要的依據(jù)和支撐。同時(shí)，討論公稱直徑、螺栓數(shù)目等設(shè)計(jì)參數(shù)對螺栓連接力學(xué)特性的影響，將焊接的連接方式和螺栓連接方式進(jìn)行相比。<

5、br>　　3、提出等效線性函數(shù)法的非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)識別方法。等效線性函數(shù)法基于諧波平衡法理論，識別精度高，表現(xiàn)出較好的工程應(yīng)用前景。非線性彈簧和阻尼力通過諧波平衡法的一階近似展開可推到出等效線性函數(shù)，等效線性剛度和阻尼隨著響應(yīng)幅值的變化而改變，可完成非線性動(dòng)力學(xué)模型確認(rèn)和參數(shù)識別。數(shù)值分析結(jié)果證明等效線性函數(shù)法可完成典型數(shù)值案例非線性參數(shù)識別，包括立方剛度、五次方剛度、庫倫摩擦阻尼、分段線性剛度、雙線性剛度、復(fù)合非線性等7種非線性模型。

6、數(shù)值案例成功證明等效線性函數(shù)法可用于不同類型非線性的參數(shù)識別，并取得理想的識別精度，可有望用于實(shí)際非線性結(jié)構(gòu)的檢測和建模，解決螺栓固定結(jié)合面動(dòng)力學(xué)模型確認(rèn)問題。
　　4、搭建螺栓固定結(jié)合面非線性振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并完成螺栓固定結(jié)合面非線性動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)。等效線性函數(shù)法應(yīng)用于螺栓固定結(jié)合面非線性參數(shù)識別研究。識別結(jié)果具有一定的精度，在一定程度上反映螺栓固定結(jié)合面軟剛度和硬阻尼的非線性特性，并證明螺栓連接結(jié)合面高階多項(xiàng)式非線性彈簧和阻尼力的

7、存在。提出恒響應(yīng)掃頻實(shí)驗(yàn)方法，恒響應(yīng)掃頻實(shí)驗(yàn)需不斷調(diào)整基礎(chǔ)激勵(lì)輸入的大小以嚴(yán)格控制響應(yīng)點(diǎn)輸出，適合一些精密設(shè)備和儀器的非線性測試。這也為等效線性函數(shù)法用于其他工業(yè)裝備非線性參數(shù)的識別研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。
　　5、根據(jù)數(shù)控刀架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、端齒盤設(shè)計(jì)原則及工作狀態(tài)下的受力狀態(tài)，應(yīng)用螺栓結(jié)合面建模方法，建立數(shù)控刀架有限元模型，辨識刀架剛度薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)化端齒盤齒形結(jié)構(gòu)，包括齒形角、齒數(shù)、內(nèi)外齒長比、齒根寬。依據(jù)國標(biāo)規(guī)