螺栓連接力學特性建模及在數(shù)控刀架系統(tǒng)中的應用.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，而機床功能部件性能保持能力在很大程度上阻礙了我國機床行業(yè)的發(fā)展。數(shù)控刀架作為最重要的功能部件之一，其動、靜態(tài)特性在很大程度上直接影響和決定機床整機的精度和剛度匹配。相關研究表明螺栓結合面對機床整機以及數(shù)控刀架力學特性影響顯著。螺栓連接成本低、制造簡單，并廣泛應用于現(xiàn)代裝備結構中，螺栓連接的動態(tài)特性直接影響整機的性能。螺栓連接力學特性的建模方法一直是機床及數(shù)控刀架整機建模研究的重點和難點。

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

3、別方法、螺栓固定結合面非線性動力學實驗以及螺栓固定結合面有限元建模在數(shù)控刀架端齒盤結構中的優(yōu)化等關鍵問題逐步展開研究。論文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　1、研究了7種不同的螺栓有限元建模方法，包括預緊力模型、熱應力模型、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)實驗驗證建模方法的準確性。以模態(tài)試驗結果為依據(jù)，對比和討論了不同螺栓連接有限元模型的優(yōu)缺點，為后續(xù)數(shù)控刀架整機建模和端齒盤結構

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實驗方法研究螺栓結合面動力學行為，研究預緊力和外載荷力等因素對螺栓固定結合面振動傳遞特性的影響。分析結果表明，螺栓連接結構的動力學特性直接受到預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)螺栓固定結合面非線性動力學實驗和參數(shù)識別方法的研究提供了重要的依據(jù)和支撐。同時，討論公稱直徑、螺栓數(shù)目等設計參數(shù)對螺栓連接力學特性的影響，將焊接的連接方式和螺栓連接方式進行相比。<

5、br>　　3、提出等效線性函數(shù)法的非線性動力學參數(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幅值的變化而改變，可完成非線性動力學模型確認和參數(shù)識別。數(shù)值分析結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，可有望用于實際非線性結構的檢測和建模，解決螺栓固定結合面動力學模型確認問題。
　　4、搭建螺栓固定結合面非線性振動實驗平臺，并完成螺栓固定結合面非線性動態(tài)特性實驗。等效線性函數(shù)法應用于螺栓固定結合面非線性參數(shù)識別研究。識別結果具有一定的精度，在一定程度上反映螺栓固定結合面軟剛度和硬阻尼的非線性特性，并證明螺栓連接結合面高階多項式非線性彈簧和阻尼力的

7、存在。提出恒響應掃頻實驗方法，恒響應掃頻實驗需不斷調(diào)整基礎激勵輸入的大小以嚴格控制響應點輸出，適合一些精密設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驗和理論依據(jù)。
　　5、根據(jù)數(shù)控刀架的結構特點、工作原理、端齒盤設計原則及工作狀態(tài)下的受力狀態(tài)，應用螺栓結合面建模方法，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)化端齒盤齒形結構，包括齒形角、齒數(shù)、內(nèi)外齒長比、齒根寬。依據(jù)國標規(guī)