機床螺栓結(jié)合面力學(xué)特性機理研究與應(yīng)用.pdf

1、螺栓結(jié)合面一直是熱門研究內(nèi)容，由于機床中存在大量的螺栓結(jié)合面，以及很多機械零部件裝配都需要螺栓連接，因此研究螺栓結(jié)合面動力學(xué)特性非常必要。不同結(jié)構(gòu)的螺栓結(jié)合面具有不同的力學(xué)特性，螺栓結(jié)合面會受到多種因素的影響，例如螺栓扭矩、外載荷等，結(jié)合面具有非線性剛度與阻尼特性，其理論建模方法研究是目前評價系統(tǒng)動態(tài)特性的一項關(guān)鍵性技術(shù)和重要的發(fā)展方向。所以，建立合理的螺栓結(jié)合面仿真模型與系統(tǒng)動力學(xué)模型、深入分析與研究螺栓連接結(jié)構(gòu)的非線性動力學(xué)特性，對

2、建立準(zhǔn)確的整機模型與評價子結(jié)構(gòu)及其動態(tài)響應(yīng)特性具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。
　　本文針對螺栓結(jié)合面進(jìn)行了深入的研究，采用有限元仿真分析、理論建模和試驗研究等方法重點研究了螺栓結(jié)合面的非線性建模方法和其剛度、阻尼特性以及螺栓連接結(jié)構(gòu)的非線性動力學(xué)特性，并取得了一些有意義的結(jié)論。該研究結(jié)果對整機結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)分析有重要的理論意義及實用價值。論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新成果包括:
　　1.以單螺栓連接結(jié)構(gòu)為例，以有限元分析為手段，基于

3、非線性接觸算法，對其進(jìn)行靜力學(xué)分析，研究螺栓預(yù)緊力對結(jié)合面接觸剛度的影響，結(jié)果表明在合理范圍的預(yù)緊力作用下產(chǎn)生接觸應(yīng)力的結(jié)合面面積基本位于螺栓孔周圍的環(huán)形區(qū)，并且環(huán)形接觸面積的外徑比螺栓孔半徑增加了大約85‰進(jìn)而獲得結(jié)合面接觸剛度模型;在此基礎(chǔ)上，建立具有環(huán)形接觸對的多螺栓連接結(jié)構(gòu)有限元模型，施加螺栓預(yù)緊力，再進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明固有頻率值低于結(jié)合面未做處理的分析結(jié)果，仿真模型具有可靠性。
　　2.對多螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)諧響應(yīng)

4、仿真分析。通過定義接觸對和設(shè)置邊界條件，在ABAQUS軟件中建立基于非線性接觸算法的動力學(xué)有限元模型，討論了不同預(yù)緊力下結(jié)構(gòu)的頻響特性;同時建立諧響應(yīng)激勵試驗，研究不同扭矩對系統(tǒng)幅值和共振頻率的影響，驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性。再者，對一種更為復(fù)雜的雙剪切多螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)激勵試驗，討論不同預(yù)緊力和激勵幅值對測試結(jié)果的影響，說明系統(tǒng)的非線性行為，為其后續(xù)進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。
　　3.對于具有復(fù)雜阻尼的螺栓結(jié)合面建立單自由度復(fù)合阻

5、尼模型識別結(jié)合面相關(guān)參數(shù)。在只考慮線性剛度的前提下，采用平衡能量法建立各參數(shù)關(guān)系并求解動力學(xué)方程，獲得了結(jié)合面干摩擦參數(shù)和粘性阻尼因子的表達(dá)式。同時，建立了該結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)激勵試驗，通過改變激勵幅值，結(jié)合已獲表達(dá)式識別了結(jié)合面復(fù)合阻尼參數(shù)，擬合了不同螺栓預(yù)緊力作用下結(jié)合面的干摩擦參數(shù)曲線;并且將復(fù)合阻尼參數(shù)值應(yīng)用于有限元仿真分析，比較了不同干摩擦參數(shù)下系統(tǒng)的非線性行為，也驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性。
　　4.針對一種較為常見的雙剪切螺栓連

6、接結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)動力學(xué)分析與研究。建立了其等效簡單螺栓連接梁結(jié)構(gòu)的2自由度非線性解析模型，采用四階龍格庫塔方法求解系統(tǒng)在瞬態(tài)剪切激勵下的動態(tài)響應(yīng)，比較了螺栓連接結(jié)構(gòu)在不同非線性剛度參數(shù)下獲得的頻響曲線。結(jié)果表明當(dāng)扭矩增加時，立方彈簧剛度對預(yù)緊力的變化只在一定范圍內(nèi)敏感，并且在非線性剛度表達(dá)式中只改變立方剛度參數(shù)，其固有頻率不會發(fā)生明顯變化;立方剛度項更適合非線性系統(tǒng)在較寬頻域內(nèi)的結(jié)合面建模。
　　5.建立了一種含有立方剛度項的串聯(lián)I

7、wan類型的模型，在非線性剛度與粘性阻尼、庫倫阻尼共同作用下，對簡單螺栓連接梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進(jìn)行描述。分別考慮了結(jié)合面兩種不同的運動狀態(tài)，即粘滑運動與宏滑運動，建立了瞬態(tài)剪切激勵下系統(tǒng)的非線性動力學(xué)方程，分析不同參數(shù)下的動態(tài)響應(yīng)，比較了螺栓扭矩與激勵幅值發(fā)生變化時系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線，結(jié)果表明整體結(jié)構(gòu)在低預(yù)載情況下呈現(xiàn)較為明顯的非線性特征。
　　6.將拓展的含有串聯(lián)Iwan類型的模型應(yīng)用到有限元仿真分析中。融合非線性剛度和非線性阻尼

8、的雙特性，本文分別針對兩種具有不同螺栓數(shù)量的雙剪切搭接梁結(jié)構(gòu)，在切向瞬態(tài)激勵下建立了基于接觸算法的非線性有限元模型;并通過瞬態(tài)激勵試驗，描述不同預(yù)緊力和激勵幅值對雙剪切搭接梁結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響，經(jīng)定性討論與分析發(fā)現(xiàn)，頻率響應(yīng)幅值與固有頻率的變化跟簡單螺栓連接梁結(jié)構(gòu)的仿真數(shù)據(jù)一致;具有不同螺栓數(shù)量的兩種雙剪切搭接梁結(jié)構(gòu)在同一扭矩作用下的傳遞函數(shù)曲線分別與試驗數(shù)據(jù)吻合良好，驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性。
　　7.對一種帶有粘彈性層的雙剪切螺

9、栓搭接結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性建模和動態(tài)響應(yīng)分析。根據(jù)組合梁模型的簡化結(jié)構(gòu)，建立了剪切方向上基于phenomenological接觸模型的4自由度動力學(xué)模型，分析了系統(tǒng)在不同庫倫摩擦力和簡諧剪切激勵幅值作用下的振動特性，計算結(jié)果表明粘彈性夾層材料對降低結(jié)構(gòu)振動起到了一定程度的作用，減小了系統(tǒng)的能量耗散;當(dāng)螺栓預(yù)緊力發(fā)生變化時，受粘彈性層的影響，結(jié)合面的庫倫摩擦力改變，結(jié)合面剛度和阻尼特性也隨之發(fā)生了改變，導(dǎo)致系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和總耗散能表現(xiàn)出復(fù)雜的非

10、線性特性。
　　8.建立了帶有粘彈性層的雙剪切螺栓搭接結(jié)構(gòu)的非線性有限元模型。結(jié)合粘彈性材料的非線性特性，在切向方向采用了包括立方剛度項的非線性剛度，并基于接觸算法建立了同時考慮結(jié)合面法向剛度與切向剛度的非線性剛度模型。對帶有粘彈性層的螺栓連接梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)剪切激勵試驗，詳細(xì)分析了整體結(jié)構(gòu)在不同預(yù)緊力和粘彈性層厚度下的非線性動態(tài)響應(yīng)特性，試驗結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)中的粘彈性層具有降低組合結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)幅值的作用，特別在高頻區(qū)尤為明顯，且粘

11、彈性層厚度不同，全局剛度亦不同;同時仿真曲線與實驗曲線吻合度較高，說明該模型能夠較好地描述系統(tǒng)的振動特性。
　　9.研究了螺栓結(jié)合面對不同型號的兩種機床子結(jié)構(gòu)及整機系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。對機床主要關(guān)鍵螺栓結(jié)合面進(jìn)行建模，對比了主軸箱與機床床身的模態(tài)分析結(jié)果，進(jìn)行了主軸箱正面切向和法向方向的諧響應(yīng)激勵試驗，分析結(jié)合面不同方向的剛度與阻尼特性，結(jié)果表明實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)吻合良好。進(jìn)一步對機床進(jìn)行整機有限元建模，分別比較其螺栓結(jié)合面處理前