（机械制造及其自动化专业论文）数控机床结合面参数的实验识别及其主结构的动态优化.pdf

摘要数控技术是先进制造技术的重要核心之一，天系到圈家1 业战略地位和综合围力水平。目前世界发达国家数控产韭发疑的主要方向之一是数控设备的高速、赢效化。对这种产品，主结构系统的静动态品质是影响产品性能的关键因素，这就要求建立准确的有限冗模型。本文就如何实现数控机床主结社快速建立有限元模型及优化设计等问题进行了丰曩应的研究。提出了种测试结合武实际接触状态的方法，此方法以相对位移位基础，将模型简化为单自由度系统，消除了艇础振动位移的影响，识别精度高。通过实验手段给出了几种工程实际条件下的结合面的幅对接触比。并提出一种i 4 用实验谈别参数艨用a n s y s 自定义单元处理结合蘸的方法。在本文中提出了蒸于单元格能量的分析方法，这种方法基于灵敏度方法，它提出了薄弱机构的能量标准在现有的分析方法中，直接的灵敏度计算方法忽略的了遮一点谳显结构优化采用识别物理参数识别的方法。这平孛方法的计算效率优于直接的灵敏度方法，而且它能保持整个结构的约束条件不改变，这点是非常的令人满意的。将实验识别出的结合面慕礁特性数据和基于单元格能量的方洼应用在有限元结构分析计算巾。以压j ；机机架模型为对象进行计算，对结构进行蹩体受力与振动的计算。关键词：结合面；接触状态；弹性夹层；力学特性；有限单元法a b s t r a c tn u m e c a lc 。n f 0 l1 e c h n l ) l d g y 讧1 n e 蟮i n o 避l m p o r 诅i l l ，nr e l a f e s 【。雌l l o n a ls r a 。g l 。p o s l i l o ha n dm e 】e v e l 。fc o m p r e h e n s j v en 州o n i ls l r e d g t b n e 工t l a i nd i r 。c d o no ft l u n l e c a llt 1 d u s l yl nd c v d o p e dc o u n f r i e si st h a h en u m e n c a le q m p m e n bt u nf 勰n n de 埘c j e n t | ) y n 8 i n i ca n js t 鲥cc h a a c t e d s i i c 。ft l l em a j ns y s 把ml s 【h ck e yf a c l o ro fp r o d u c l i o n s oi tf e q u i r e d 0e s t 曲l l s ha c c n r a t ee k m e n im o d o l ，i n i h i sp a p e rd o e sr e s e a f c ho nq u l c km 。d e lb u n d i n ga n do p 娃m u md e s i g n 硒rn u 脚e d c a lc o n 佳o li n a c h i n e b r 抽go u lau s e f u jm e t h o do n 话鞋i n gl h ea c t u 胡c o n t a c | r a t i oo f j o i n 拓，w h i c hi sb a s e o 陀l 利j v e d i s a c e m e n to f v i b f a ( 妇l o l so f u s e 如1d a l ao n f a | 1 9 e n 。y f a l i oo f j 。i n t s i ns e v e r a ln o m l 越。呻趋i o e l sc a na l s ob e h n d 谊t h i 8p 印旺u 衅r 。i e m e n i 抽a n s y s 拓u s e d l od e “w 蚰】o jn li nt b i sp 8 p e r ，s t r u c t u f ei d j 掘弛f i o nb a s e du p o nu n i tv c 量u m ee n e 喀yi s 把s c a r c h e d b a s 沁a l 饥内em 曲0 dl sd e v 畦。p e d c o r d l “gt 。i l s h l v 畸蛐坶s 逸7 r k 雠1 tv o l n m e e f 酣虹诖e 矗o n 硝w e 非s h b s t r u c l u m so fas t r u c t 町es y s i e mi 8p f 。p o s e dhp r e s e n t _ n e t h o d ，d i r b c 【s e n s 耐v i l yc a 蛔k 曲h 诲n e g l e c 刚a n dt n o d i 瓶c ；l i i o nhc a n 酣o mw i 【hi h ep h y s i 龃lp a r a m e f e l so fi d e n t l 矗e dw c ；i ks u b s i r u c l u m sa d d i i i o n a l l y ，t h ec o n s 咖i n ic n nd l t i o f lo fm a i n i a l n i n gt h ew e i g l l lo fw h o 】es 咖d u r ei v a 打a b l ei sw e l ls a t i s 廿e db o f hs i r u c t u r em 。d j 商c a t i o nb a s e du p o nun i tv 0 1 u m ee n 。唱ya n d1 h eb a s i cd l a r a c i e r i s l i cp a r a l n e 把fo f t l l e j o i n t i d e n t i 矗e d b ye x p e d m c n t h j c r ea p p n c d i n t h e 戴n i t ee l e m e n ic a l c l l 硝o n b a s e do nt a b l e tm a c h i n e k e y w o r d sj 。i 肚；c o n t a c tr a t 】。 p j a t e s p r i n gj a y c r ；i ) y n a m l cc h a r a c t e f i s t i c f i n i ke l e m e n tl e c h n i u e玎独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行晌研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了义中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书l m 使用过的材料。与我一刊工作的唰志对本研究所做的任何员献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：麴日期：2 堑坦关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公巾论文的仝部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后虑遵守此规定)签名：纽导师签名：g 现良生日期：至盟么矽第1 章绪论装备工业的技术水半和姚代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展高新技术广业利尖端工业( 如信息技术及其产、生物技术及其产业! 航空航天等幽防工、l k 产业) 的使能技术和最基本装备。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，及对动态多变市场的适应能力和竞争能力。11 课题背景数控技术是先进制造技术的重要核心之一，关系到国家工业战略地位和综合国力水平。数控机床拥有量和年产量是衡量一个国家制造业现代化水平的重要标志。它是世界各国竟相发展的重要产品，在国内外市场中的竞争非常激烈，开发具有白丰知识产权的数摔机床是我国民族数控产、i k 发展的唯一出路。目前世界发达国家数控产业发展的主要方向之一是数控设备的高速、高效化。对这种产品，主结构系统的静动态品质是影响产品性能的关键因素。因此世界各国都开展了数控机床新型主结构系统的研究。目前，先进数控机床的主结构系统己经发生了重大变化，出现了很多结构新颖的产品。当前全球市场竞争的焦点是新产品开发，竞争的核心是上市时问。在新产品开发阶段，无图纸无样机条件下快速进行概念设计、准确预测其性能，在此基础上实现优化设计是保证产品质量、降低成本、迅速上市、抢占市场的先决条件。它是现代企业所急需实现，广大工程、技术专家及工程师们热衷追求的研究热点，是先进制造技术中的首要关键技术。由于数控机床是机械结构非常复杂、静动态性能要求很高的精密、高效、自动化、柔性化加工设备，其设计技术涉及许多学科领域，存在着许多工程实际困难，尤其是机床零部件结台面川度、阻尼等参数难以精确确定，刚度模型难以准确反映实际状况，精确的整机数学模型求解工作量十分巨大，致使目前在全世界范围内尚未找到令人满意的现代化数控机床整机结构快速优化设计系统。因此在下列研究领域取得突破性进展将对我国制造业的发展产牛深远的影响。f 1 ) 准确地测定结合面的刚度和阻尼系数；( 2 ) 研究获得高刚度和阻尼结合面的设计方法：( 3 ) 在考虑结合面接触状态的隋况下建立准确的有限元分析模型；机械结构或机器是由各种零件组合而成的，零件之间存布着各种各样的接触而。机械结构件的接触面是指零件、组件、部件之间午h 互连接的表面，也称之为而。机械结构件的接触面是指零件、组件、部件之间午h 互连接的表面，也称之为北京l 。业火。学皱十= 学俺睑文机械结构结含面( 部) ；：机床是复杂机械，除了结构本体之外，还包含有各种各样许许多多的结合血。结合两的释类报多，一般可分为固定结合面、半固定结台面、可移动结合面。常见的固定结合面如：机床箱体与床身的连接、机架b 机座的连接、主轴与刀柄的锥面连接。半幽定结台睡如摩擦离合器的连接与接触等。可移动结合丽最普通的是孽轨闯的连接丽、轴承r 包括滚动轴承) 滚动体与内、外圈的接触面等。在机床i ，螺栓连接魁典犁的结合而之一，自从1 7 7 6 年j o h nw i l k i n s o h 发明镗庆，1 8 0 0 年h e n r vm a u d s l a v 发明车庶以来，到目前为止，机床的机械结构并没有发生根本性的变化【l l 。大多采用类比设计，鞍少剖新和突破，以确保设计的成功率。但其性能的好坏，在样枫被制造出来以前是未知的，只有等样机试制出来之后，通过试验和使用才能确认其性能的好环。同时有无修改的需要，如何修改以及修改后的性能如何也不得而知。因此，若要获得较满意鳇定型产品，往往要反复经过“设计一试制一试验一修改”的过程，致使产品研制周期长，成本高口f 。究原因，从本质上讲，是不能够建立精确的橇珠结构动力学模型厨致。结合谶对机床整体性能的影响很大，不能皓建立精确的机床结构动力学模型的重要原因之一是囚为对机床结合面特征参数的精确识别镁困难。结台面目# 度常常是机械结构整体刚度的重要组成郝分，有时甚至成为整体刚度的薄弱珂= 节。许多研究表明：机床的静刚度中3 0 5 0 决定于结合而的n 4 度特性也就是说，一台机床的构件f 如床身、立柱、横粱等) 即使设汁得根粗大结实，如果结合匿没有处理婷，则整枫的刚度也不会很好1 3 。象机床这样复杂、典型的机械结构件，结合面往往在某阶优势频率下成为明显的薄弱环节。在机电部托京机床研究所所做的x 甜7 1 4 直式加工中心薄弱环节霹 剐中发现，优势频率为4 2 9 0 h z 时，主轴和主轴箱一立挂一床身系统( 简称刀具系统) 的位移占主要比重，为薄弱环节 而在1 2 8 3 h z 时，工作台滑序席身系统f 简称工作子系统) 的位移占主要比重，其中构件闯的位移为相应扮件本体位移的3 4 倍最大可选1 0 倍，这时结合面成为明显的主要薄弱环节【4 l 。结合面不仅对机械结梅r 度影莉很大，丽虽对机槭结构阻尼的瓣晌更为明显。根据统计，机床上出现振劝问题有6 0 以上是源自结合面。对于象机床等由刚性零件本身组成的结构，其阻尼值的9 0 鞋上来源于结合面扮阻尼。根据实测统计，一台枫寐的阻尼 艺为o _ 1 0 2 ，而材料的内阻尼比，对于铸铁一般小，o 0 2 ，钢材则不超过0 0 0 1 ，和零件本身的阻佗相比，结合面阻尼占有绝对优貉。此外，结合面的热阻特性对机珠热量的传导、隔离以及由此形成的温度场积热变形有相当大的影响，结台丽的材料和表面状态不同使导热系数有几倍甚至卜l 倍的差异。结合面刘枫寐性能托影啊如此之大，良然研究结合翻特性的梳理、应用以及第i 覃绪沦如何精确缝口涮其参数( 即结合两i 崖，结合丽雕尼系数) 等问题成为“个重蔓的基础性课题。7 其在现代机床的设计中，结合面特征参数的精确训别是进行结构剖新、件麓分析，提高c a d ，c a m 一体化、复合化，进行状这优化设计的关键因素。1 。3 结合霜的影晌因素结合面特性的研究非常复杂，主要原因是影响结合面特性的翻索很多，且多为非线性因素，而工况及使用条件的多样化，相互交错的影响，更使问题复杂化。主要的影响因素如下：m 结台面的材料( g 、簋，“，口) 或树质；f 2 ) 结合丽的加工为法；f 3 1 结合面的粗糙度；缔合面的形状；( 5 ) 结台面的初始面压( 指法向面压) ：( 6 ) 结合面的结合状态( 面压分布) ：f 7 ) 结合瑶处的势载荷工作面蕊) ；f 8 ) 结合萄的功能r 固定、运动) ；f 9 ) 结合西的结构、类型、尺寸；f 1 结合西处的动态力：n 1 1 振动频率；r 1 2 诲台面的相对振动位移( 幅值与棚位) ；f 1 3 ) 结台面的润渭情况。l 述影晌因素串，有姥因素的影响是相互韵。在所列举的1 3 颈影响因素中，其中的( 4 ) 、( 6 ) 、( 8 ) 、c 9 ) 是与结构有关的影响因素；( 5 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 、( 1 0 ) 、( n ) 、( 1 2 ) 、( 1 3 ) 足与工说有关的因素；( 1 ) 、( 勾、( 3 ) 、( 5 ) 、( 8 ) 、( “) 、( 1 2 ) 、( 1 3 ) 是反映结合面固有特性的影响因素。根据这种情况，可将与结构和工况有关的影响因紊留给设计时处理如固素，( 4 ) 、( 5 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 、( 8 ) 、( 9 ) 、( 1 0 ) 、( 1 1 ) 、( 1 2 ) 、( 1 3 ) ：两将反映结台蕊特性的彝素在结合瑶基础特性参数巾表示出采，熟( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 、( s ) 、( 6 ) 、( 8 ) 、( 1 1 ) 、( 1 2 ) 、( 1 3 ) 。曼然，自些固素薅方面都必须考虑。1 。4 国内外研究状况对结合面特性的研究工作，最早可追溯到5 0 年代的苏联。当时的研究范围比较窄，主耍局限在几种特定情况f 常用滑动导轨和贴塑紧固连接衙的静念特，i l mi 。业人。：。顾匕；何沦义性的测定。欧洲、美围、| 1 本等困学者由于6 0 一7 0 年代j l 。始进行单元样什和再类典型结合面的特- 生试验。德国阿亨大学机床试验市( w z l ) 进行了滑动导轨和滚动轴承的静、动态试验，英国、日率等对机床构件的螺栓结合血和滚珠丝札副的静态特性进行了试验，推导了结合而静态特性数掘应用的计算表达式1 5 j 。除此之外，荧国、波兰、法凼、巴西、印度等国也有学者在进行结合面特性力面的研究。研究高潮期大约在七十年代至八十年代。截至目前，崮定结合面的研究对象主要为螺栓连接部。已有的研究内容大约有：夹紧力对弯曲静刚度的影响、作用载荷对螺栓连接部位弯曲刚度的影响、弯曲力矩刘螺栓位移的影响、央紧力一定时不同螺栓排列方浩对弯曲刚度的影响、连接面的位移一载荷特性、接触面积与弯曲刚度的关系、夹紧力一定时板厚1 ，接触直径的关系、接触0 度的经验公式等等。一般认为影响螺栓连接部位刚度的主要因素有：载荷的大小与类型；法兰的形状、厚度、材质；螺栓夹紧力、数量、排列位置、直径、长度、材料；螺纹精度；接触面积及形状、加工方法、平面度、表面粗糙度；有无夹杂物、有无锥销及导向套等。在螺栓连接的阻尼能力方面已有的研究为：爽紧力与阻尼比的关系、静态预加载荷对阻尼的影响、接触面压力( 扭转载荷1 与阻尼比的关系、振型与阻尼比的关系等。上述这些已有的研究内客，大多集中于对螺栓连接音1 i 的基本形态二平面连接的垂直方向的静刚度，并提出了些经验公式，但对螺栓连接部位的切向刚度以及接触面的非线性特性则研究不够。可动结合面的研究对象主要为滑动导轨。在六十年代主要在苏联进行过一段时间的研究，而后研究重点转向更基本的二平面连接。七十年代德国阿亨大学机床实验室f w z l l 对滑动导轨也进行了少量研究。我国白八十年代开始对滑动导轨的静动态特性进行了较系统的研究，主要有：承受垂向载荷时的垂向刚度、垂向有预加载荷时的切向刚度、在低表面压力下一平而连接的垂向位移的滞后现象、产生局部变形刚连接面的垂向位移、不同配对材料对接触刚度的影响、预加载荷对月0 度和阻尼的影响、导轨材料和洞精油对刚度和阻尼的影响、滑动导轨的阳尼系数与工作台滑动速度的关系、压板部分的刚度、燕尾槽部分的刚度、镶条构造对连接部位刚度的影响、二平面连接的刚度表达式等等。在机床设计计算中，围绕机床整机有限元计算存在机床整机精确建模困难、程序工作量巨火两个关键问题，人多把机床简化为集中质量模型和分布质量模型。六f 年代，英围s f a ，t o b i a s 曾建立r 一台摇臂钻床的集中质量模型，黎台机床低阶嗣有频率f j 试验值较接近，但由于束考虑结合面和系统的阻尼，凼而还未能计算动态响应。七十年代起，西欧和北荧等同的研究人员外始从多个方而进行旃l 章线沦建梗的探讨工作。荷兰的j h i i j n k 等应用分何质量裟建立卧式升降台铣床的计算模型，井根据髯部分结构的弹性变形对整机影响的大小分为弹性梁和刚性粱两种，其中刚陆梁假设只作刚体运动而无弹性变形，这样可以更逼近实际帆床结构的特点，但叫于未考虑结合面的动态特性，幽而其共振频率1 j 试验值相比相差约1 5 ，动柔度相差可达1 倍以l 。r l 本的古村允孝曾在考虑结台面特性的基础r建立了双柱立式车床的分布质量梁的动力学模型。它共具有2 0 个结合面，其中2 个为导轨结合面，其余为螺栓连接的固定结合呵。由于考虑了结合面特性，故其计算结果比较接近实测值。这从一个侧 豇说明了了解和掌握结合面特性的重要性。国内自六十年代曾进行了少量单兀样件的结合面静：各试验，八十年代也开始对单元样件和一些典型连接件的结合面静态特性进行了较系统的试验研究。在固内，主要的研究单位及高等院校有：天津大学、浙江人学、大连理工大学、陕西机械学院、华中理工大学、西安交通大学、合肥工业人学等。研究院所有：机械工业部北京机床研究所、中国船舶科学研究中心等。高等院校一般从微观r 对结合而问题进行了较深入的理论研究，但随着问题研究难度的增加，逐步认识到理论研究和实验测试相结合的必要性吲。最近几年，高等院校和研究院所之间的联系越来越紧密，一般凭借高校的理论技术优势和研究单位优越的实验测试条件联台进行t 作，己取得了很大的成绩。围绕模态特征参数识别和动力学模型的建立，发表了不少文章。天津大学先后对机械结构动力修改及实验模态分析、机械结构物理特征参数识别与子结构综合方法进行了研究，并以z 3 0 2 5 摇臂钻床作为实际研究对象，对机床结构系统动力学模型的建市和机床结构结台面的特征参数识别进行了研究”l 。通过整机进行模态测试分析，得到其各阶固有频率及相应振型，确定出摇臂是机床的薄弱环节，建立立杜和摇臂的有限元模型，提出了种将有限元方法和实验模态分析技术相结合进行结构结合面特征参数识别的方法，并应用这种方法对钻床立柱和摇臂的结合面进行了参数识别。浙江大学先后进行了机床吲定结合面动态特性及加工中心立柱床身结合面动态特性及特征参数识别的研究。在机床幽定结合面动态特件研究中，以j c s 一0 1 8加r 中心主轴与j 柄的结合面为主要研究对象，对固定锥度结合面的动态特性进行了研究，建立了结构的动力学模型并对结合面的特征参数进行了识别【7 。识别的方法是采用计算机模拟将理论计算和实验测试结合进行的。先根据主轴、刀柄的实际结构及受力特性，设训试验模型，并州稳态正弦激肭法对实验进行模态试验，获得不同接触状况下的频率响应函数，然后在结台面集巾参数模型的摹础上分别建立结构在纵向横向激振力作用下的动力学模型，为建立识别结合面特征北jl 业大学倾叫市j 堆_ 文参数的数学模型，提出了确定j 埘个子结构之川结合面特征参数的 法。此法是利j 1 可变多面体的优化万法通过最小二乘法米拟台实际测量的整个结构的频响数据，从而获得全部的特征参数。经过计箅机仍真及实际使用，取得了令人满意的结果。用此法获得了主轴和刀柄结合面在实际拉紧力范崮内的川度和阻尼的数值。在加工中心立柱床身结合面动态特性及特征参数识别研究中，提出了种适用于复杂模型的结合面特征参数识刖方法。其主要工作包括：运用结合面元的方法建立了结合面动力学模型；应用有限元模型降阶修改法建立了立柱床身结构的高精度动力学模型；提出了一种利用町测传递函数逆阵建立目标函数的方法，避免了共振峰附近机械阻抗矩阵病态的问题。陕两机械学院( 现为西安理工大学1 在机械结构结合面的静、动态特性研究中做了许多的t 作。他们对机床导轨结合面进行了大量的研究，并从巾分析推导出平面移动式导轨结合而变形的通用讣算模型，得出单层和双层平面移动式导轨结合面变形所产生的加工点位置误差的通用计算公式。他们用计算机模拟实际工况进行计算，以此对各种导轨结合面在相同条件r 的加工误差特性进行了分析比较，为机床设计选择最佳设训方案、预估醍计效果和寻求合理设计参数提供了依据【8 1 “。华。 ，理工大学存机械结构结合而的动态力学参数研究中，从一般情况出发，提出了种利用实测传递函数识别子结构间连接刚度、阻尼参数的方法。它分别适用于子结构在自由状态下的有限元模型已建立和没有建立两种情况，给出了识别的数学原理【l 。该方法可不需要对实测传递雨数求逆，因而有效地防止了不可避免的实测误差给特征参数识别造成的不利影u 自，提高了识别精度。大连理工大学足在园内较早进行机床接触面特性研究的单位之一。在对机床进行动态分析和优化设计的过程中，提出了一种识别机床接触面刚度和阻尼的新方法，它利用种新的凝聚技术把h _ 序分析 去和有限元法结合起来，只要利用一、_ 个不完全的振型就町以确定机床结合叫的结构参数。该方法由两大部分组成，首先利用时序分析法从实验数据系列建立随机的自叫归滑动甲均向量f 自r 1 7 ”，1模型并进而确定机床的模态参数，然后把机床结构的有限元模型在某一复频f 进行精确凝聚，并根据时序分析法和凝聚后的有限兀模型得出的模态参数必须相等的条件，来识别未知的机床结构参数。利用计算机仿真技术刘新提出的方法进行了验证，证明它具有很高的识别精度。最后进行了立柱模型实验，刘立柱底部的接触刚度和阻尼进行了成功的识别。上海机械学院及中国船舶科学研究中心联合进行了复杂结构连接刚度的优化i 别技术的研究。他们认为，对于各子结构之间的连接刚度以及结构边界连接第l 章绪醅处连接刚度的正确t 别，是横态综台技术币确应用以及建文与史际情况比较，蜘合的有限元计算模型的关键。应用常规的p i d 法对连接刚度进行初识别的基础h甄利用多蝉标规划方法对汁算模型进行结构动力转正，出此识别出与实验模型较吻合的连接刚度以及鞍为精确的寿限元计蘑模型，为犬触复杂结构的赞、动特矬分析和计算以及结构的动力修改提供了可靠的依据。咀f 单位在研究机械结构结合丽特性柏同嚼，在建立机械结构动态特性研究方面进行了一些有揣的探索。西安交通大学利用k u h a r 动力变换来缩减视械结构初始物理模型的非测试囊由度，对缩减的初始计算模型进行修正，再建立缩减后的蝗正模型与原来初始模型以及修正量之阎的关系，捌用数值解法，可得到所霈龄修正元索；实际训算结果表明，渡识别方法是有效的，可达到工程许q 精度。关于机械结构动力学模型，湖南大学的于德介同志阐优化方法列阻尼的动力学模型进行丁研究。提出了种利用复模态理论的 f 交关系和特征关系建立结构仞始质量、刚度与阻尼矩阵的修正方程，然后用优化方法求解修正参数的方法。北京工韭大学也曾经对数控加工中心机床主轴部件的动态特性进行了详缨的实验研究。使用h p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪，通过在主轴性自试验台上变更主轴支撑刚度和跨距等结构参数条件，测量主轴部件的固有频率和前端激振点动柔度，研究这些闶素的变化对主轴部 牛动态性能的影响，并用溯薰数据作为较验动态设计的依据。1 5 本文的主要内容及研究成果本文就如何实现机床主结构快速及优化设计等问题进行了捆应的研究，丰要谶行了以下几方猫的工作：m 测定了结合面的剐度和阻尼系数；( 2 1 研究了动态的优化设计方法；( 3 ) 完成压片机帆架的动态分析和优化设计；对于本文取得的丰要成果，下而将分i 个方面进行介绍：( 1 ) 基于单位菊积参数模型的数控机床结合瓶特征参数说嗣方法的研究提出了一种测试结合面实际接触状态的方法，此方法以相对位移证基础，将模型简化为单臼由度系统，消除了基础振动位移的影响，识别精度高。通过实验手段给出了几种 _ 程交际条件下豹结合面的棚对接触比。并提出种利用实验识别参数应用a n s y s 自定义单元处理结台面的方法。( 2 ) 基于单元格能量的分析力法的研究这种方法綦予灵敏废方法，它提出于薄弱机构的能量标准在现有的分析方法中，直接的灵敏度计算方法忽略的了这一t北京削k 凡警颂十产位论丈。- _ i 且结构优化采用识别物理参数识别的方法。这种疗法的汁笄效率优于吉：接的灵敏度方法，j 忆h 它能保持整个结构的约束条件小改变，这一点是非常的令人满意的。( 3 ) 以压片机模型为对象，应用前曲项成果，进行动态分析的汁算和动态优化谩计，同时也验证r 前面实验与理论分析的正确性。第2 章结合面动态特性的研究方法关结合面问题的研究方法，一般来| 兑，有理论分析、实验测试以及l 日口广泛采用的理沦利实验的综合方法。无论采用何种方法，根本的目的都是为了得到结合面的模型。但是这些模型在以后的应用中各有差异。总结一些资料，可以将结合面问题的研究工作归纳为两个方诃。( 1 ) 宏观研究宏观研究般是用弹簧和阻尼器模型来表示结合面，建立起振动系统的总体模型，然后将实验和理论两奁数据定量地结合起来，以估计模型中对应结合面的刚度和阻尼的值。从实验方【叮来研究其机理，主要是通过实验获得有关数据并分析解释实验结论，这在设计及试验的应用h e 较方便。这方面的工作其应用往往比较快，但它对试验结果的精度要求较高【1 8 l 。( 2 ) 微观研究微观研究主要是通过结台向变形的物理机理和结合面内阻尼特性的试验和分析来得到结合面的特性，对于从本质上认识结合面的特性来说，这方商的工作是很有必要的。从微观方面研究其机理，在学术l ! 二很有价值，但在设计方面的应用比较困难。本文在大量收集、阅读和掌握国内外与结合面识别问题相关的理沧研究、试验测试方法的基础上，结合本项e f 的要求和应用的广泛性，从宏观和微观两个角度对结合面的动态特性及其参数的识别方法进行了研究和探讨。2 1 频晌函数测试技术结合面特性分析的关键问题之是要求获得准确的频晌函数数据，只有住此基础上，才能准确地识别出结合面特征参数。随着电子测试技术的发展，频域的振动测试技术取得了很大的进步。六十年代中期出现了以裂通道跟踪滤波技术为基础的“机械阻抗测试仪”和以数字相关披术为基础的“频率特性分析仪”【”】，使得稳忐正弦激励的机械阻抗测试成为可能。如果测试中只要求得到单个或若干个原点、跨点导纳数据，必须注意激励和观测坐标的选择，最好能模拟实际情况，在实际的外力作用点处激励，在各重璎的响应点处拾振。如果测试的同的在于求得整个结构的动力特性，则首先应将结构离散化，标m 各个接点f 测量点1 。目前频响函数测试技术正沿着两条道蹿发展：一条道路是单点激励多点测量( 或。点测量，逐点激励) 技术；另一条道路是多点激励，多点测量技术。多点激励技术适用于大型复杂结构，如机体、船体或大型车辆结构等。它采用多个激北京业人晋倾l 啤17 沦文励器，以相同的频牢和不同的力幅与相位差，在结构的多个选定点 i ，实施激励，使结构发生接近于实际振动烈度的振动。它能够激励出系统的各阶纯模态柬，从巾提高模态参数的识剧精度j 。但是这种技术要求配备复杂昂贵的仪器设备测试周期也比较长。日前，世界上只有少数吲家牛产这类设备，尚来得到厂。泛应用。单点激励频响函数测试技术是目前1 _ | _ 界上广泛应用的技术，几乎适用于一切振动领域。按激励力性质的小同，频响函数测试分为稳态正弦激励、随机激励及瞬态激励三类，其中随机擞励义有纯随机、伪随机、周期随机之分。瞬态激励则有快速证弦扫描激励、脉冲激励和阶跃( 张驰) 激励等几种方式。以下所列为频响函数测试技术的分类情况：频响函数测试技术多点激励技术单点激励技术f 快速诈弦扫描激励瞬态檄励脉冲激励( 锤t h 法)i 阶跃激励f 纯随机激励随机激励j 伪随机激励l 周期随机激威稳态正弦激励下面简要介绍下这几种激励方式。f 1 ) 稳态f 弦激励这是用的最普遍的激励方法。由丁正弦激励时，在某一瞬问仅咀单一频率的山激励试件，所以激励能量比较集中。此外，馓励力容易控制，根据选择的激励器小删，可得到小于1 0 n 以下，大至数万n 的激励力。因此，无论是对小型家用电器，还是对大型的飞机、桥梁等结构，稳念萨弦激励都是很适用的一种获得较高精度的方法。l e 弦激励的缺点是，使用的设备复杂，安装费事，实验花费的时间很长。( 2 ) 随机激励稳态正弦激励测试是一个频率个频率缓慢地对结构进行激励，得到各个频率下的导纳值遂点连接，最终获得完整的导纳曲线；而随机激励是宽带频率( 许多频率) 的激励力同刚作剧在结构上，结构的响应是各频率的分力同时作用的结果。随机激励的过平罕包括：以宽带随机信号激励试什，并测试激励力删响应信号；剥力和响应信号进行快速傅立叶变换，计算出信号的自功率谱和第2 查站台卣动态十t 1 陀的洱究方浊可_ 功率谱；根= i j _ 甲稳随机过稗线性系统输入、输m 关系，求得频u 目函数f 导纳) 。随机信号：阿纯随帆、伪随机及j 上j 期随机信q 三种。n ) 纯随机信号无刷期性每个样本彼此小同。故用纯随机信号激励试件，进行振动测试时，可通过总体半均消除实验叶_ 的非线性畸变和噪声随机误差影响，提高测试精度。缺点足由于信号的非剧期性，在fft 处理时会产，i ：大的泄露误差。加汉宁窗后可大幅度减小这种泄露误差。伪随机激励信号足周期性的随机信号由计算机或伪随机信号发生器产生，通过模数转换器f d a c ) ，每经过一个刷期输出i 司样的信号。由十伪随机信号的周期性，当截断长度正好等于伪随机信号的周期时，在测量窗中所取得的信号正好足一个完整刷期，凼而在随后的傅立叶变换中则可避免功率泄露。但是这种信号与正弦扫描法一样，由于信号是周期性的，因此不能用总体平均来消除非线性及畸变的影响。( 3 ) 周期随机信号激励综合了纯随机和伪随机信号激励的优点，而避免了它们的缺点。它也是一种伪随机信号，但第一个伪随机信号在持续几个周期后即被第二个小相关的伪随机信号所代替，再经过几个周期后又被另一个不相关的伪随机信号所代替。振动测试时，在一个伪随机信号内完成一次测量。周期随机信号的优点是消除了功率泄露，可用总体平均来消除非线性等影响，缺点是测试时间稍长于上述两种随机测试法。瞬态激励与随机激励一样同属宽带激励法，所以可由激励力和响应的自谱密度函数和互谱密度函数求得系统的频率响应函数。常用的瞬态激励方式有以下几种。( 1 ) 快速正弦扫描激励快速正弦扫描激励是种泛使用的宽带激励法，激励信号由振荡频率受控变化的信号发生器供给。通常采用线性的正弦扫频激励，激励信号的频率在扫描周期t 中呈线性增大，但幅值保持不变，激励函数p ( f ) 的形式为：f ： ：2 j 篡。，。丁)i p o ) = s i n h ( 耐+ b p、一式中口一( ，m 。一，。；。) r ；6 = 允。信号发生器所供振荡信号的r 、下限频率，。：、凡。和扫描周圳r 都可以根据试验要求而选定。在试验中，扫捕时间可根据要求而定，短则仅约数秒，因而可以快速测试研究对象的频率特性。激励函数p ( f ) 虽具有类似f 弦的形式，但因频率不断变化，所以并非正弦激励而属于瞬态激励范畴。但若扫描速度足够慢，所得的“奈氏图”可以和稳态正弦激励所得的相近。( 2 ) 脉冲激励际进行脉冲激励时用一把装有力传感器的锤子米敲击试件。脉儿柬l 业人学硕士学似论文冲激励是一利帙述测试技术，其所需测试时间是i f 弦激励测试的f t 分之一。它的测试没备简岢，灵活陛人，特别适用r 王场试验，脉冲激励可分为单点敲山多电测量和多点敲击单点测量两种，前者是求 i ：1 频响函数矩阿。| i 的某一列，后者是求山频u 日甬数矩阵中的某行。根据频响函数矩阵的对称性，茛分析完伞相唰。对于轻小试件，为了减小传感器埘试件附加质量的影响，常采用单点测最多点敲c r 方法。对于大试件可存备测点r 同时安装传感器，在一+ 点激励，这样一次便可已录激励及所有响应点的信号，然后可一一求得各点的频响函数。脉冲激励的缺点是测试精度不及f 弦激励法高着力点位置、力的大小、方向的控制，需要熟练的操作技巧，否则会产生很大的随机误差。( 3 ) 跃( 张弛) 激励拟定的激励点，用根刚度大、重最轻的弦经过力传感器对待测结构施加张力，使之产生弹性变形。然后突然切断弦，这相当于对该结构施加一个负的阶跃激励力。阶跃激励在建筑结构的振动测试中用得相当普遍。在本实验研究叶1 ，频晌函数的测试采用单点激励技术，基奉卜使用纯随机激励和快速正弦扫描激励两种激励方式。纯随机激励用于在大频率范围内进行粗略地扫描，快速正弦扫描激励则对某一感兴趣的频段精细测试。实验使用h p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪对频响函数进行测试分析。h p 3 5 6 2 a 是一种双通道动态信号分析仪。该仪器信号分析功能很强，可对信号在时域、时差域、频域、幅值域中进行各种数值处理。仪器本身提供各种常用测试信号，如正弦波、随机波、伪随机波、猝发信号，这些信号可直接进行正弦扫描测试控制和分析。仪器配有h p l b 接u ，经过h p i b 总线，可以和计算机、磁盘、绘图机进行数据的传送或输出。2 2 结合面动态特性宏观研究方法结合面动态特性研究方法士要有宏观研究和微观研究。宏观研究散是用弹簧和阻尼器来表不结合由，建立起振动系统的总体模型，然后将实验和理论两套数据定量地结合起来，以估计模型中对应结合面的刚度和阻尼的循。从实验方面来研究其机理，主要是通过实验获得有天数据，并分析解释实验结论，这在设计及试验的应用上比较方便。这方面的工作其应用往往比较快，但它对试验结果的精度要求较高。而微观研究主要是通过结合面变形的物理机理和结合面内阻尼特性的试验和分析米得到结合面的特性，对于从本质上认识结合面的特性来说，这方面的工作是很有必要的。从微观方面研究其机理，在学术上很有价值，但在设计方面的应用比较同难。宏观研究包扦整体识别法和单位面积识别方法。整体识别法又分为试验模态分析、有限元计算、模型修正等方法。笫2 学结台面动态特螋o 内嘲筑儿托i匕1 午代以来试验模态分析和有限元训算两种方法鄙得到了突飞孺j i ： 的发展，各自形成r 系统完整的理沧和力法，并盘实际工程中得到了广泛的斑州，遴八八十年代以象人们将更多的注意力转移到如何把这两种方法结合起来以发挥各自的长处，在这方面国内舛掌首都儆了丈量的工作，其慕本思路是啦测试的模态参数为基准，修f t 不准确的# f 限元模型，主要方法有直接法和选代法两种，各有优点，但电都有一定的条件和局限燃，两旦多限于理论和方法的研究。真正用l 二实酥复杂结构的尚不多见，两且鲍人多数方法是对全部模型进行修正，囱些方法修正后得到的质量矩阵和刚度矩阵是满阵，失去了有限元模型带状稀疏矩阵的性质，这样修正后的模型失去了胡确的物理意义。对于大型复杂结构，由于修改的参数多，而实测的模态数据少，修正的结果不珲想。试验模态分折可以准确地获得结构的动态信息，尤其跫低阶模态的固有频率和模态阻尼 e ，但模奄摄型( 尤其是转角自由度) 的信息币一定准确，而且模态阶数也币可能很高，更重要的是这些模态参数与物理坐标下的参数没有煮接的联系，飙丽隈制了在实际工程中的应用l ”。有限元模型具有可以与实际结构挂钩、在设计阶段就可以进行分析计算、便丁：进行分析等优点。但对于复杂结构常因连接刚度、边界条件给q i 准，使计算出的结果误差很大。一般来说，有限元法给 ：的质量矩阵、单元刚度矩阵还是町信的，主要是连接剐发不易确定，从而影响总 _ 辜= 刚度矩阵的猴确性，从而影响系绩国有特性计算的准确性。因此，没有必要对整拿有限元模型进行修正，只需要以实测的鹾有频率为萋准，对那些不易确定的局部参数进行修正就可以得到满意的数学模型。对于一个多自由度的无阻尼系统，其自由振动的微分方程：懈+ 殷一0( 2 - 1 )出公式( 2 1 拭可推出：k ；州慨( 2 - 2 )其中为振型矩阵，q 为固有颓率，将系统盼刚度矩阵世分为己知刚度矩阵玛和特定剐度矩阵k ：，即：符= 墨+ ( 2 3 )将公式( 2 _ 3 ) 代入公式( 2 2 ) 并前乘矿得：= 。m 和一k ( 2 4 )若能准确地给出，司由上式噬接解出，实际上模态振型缒阵测不伞，给不准，为避免选代的盲目性采用了灵敏嫂分析技术，分掘公式：蛳。焦l 坚二些：坐监r 2 _ 5 、跏；啦、7北京工业人。顺一f 位论文盼耄端老挚，一去c 肌w 。 删诈咖p 。，由公式r 2 5 1 式可得：簟。( 2 7 )a k 求微分得：蛆= s 。龇，( 2 8 )令未知刚度的灵敏度系数矩阵为：= i e i 】( 2 9 )则【e j k 2 = ( 2 1 0 )式中 ：2 一7 ；址计算的特征值1 实测的固有频率未知增量e 与振型有关反复迭代可得未知刚度k 。，该方法以有限元模型为基硎 ，根据实验结果局部修正物理参数，从而保证了避免偏离真实系统，便丁在设计中应用。在特征值求解和计算动态响应时采用子结构划分，提高了破率。但是该方法具有显而易见的局限性，因为其实验是建立在传统模型的基础之r ，而传统的动力学模型所识 j i l 出的结合面特征参数与试验装置以及组成结合面的结构本体结合紧密，仅适用于特定结构，移植到其它类似的结合面很困难，通用性不够强。本文在综合考察了前述方法的基础上，提出了新的结合面研究方法。根据结合面的实际接触状态，通过实验手段来识别其特征参数。识别刚利用了整个共振区的频响函数数据，排除了个别频率点的偶然误差，并考虑结合面上、下部分的相对振动，排除了基础振动引起的测量误差，使得识别精度人人提高。根据实验研究成果，在不同的条件和结台状态下在应用结合面特征参数时，要考虑一定的系数。然后将识别山的特征参数用丁系统建模，在建模的过程中，考虑结台面的变形提出了一种新的单元刚度和阻尼矩阵，在应用于有限元分析计算时，可得到更符合实际的结果。2 3 结合面动态特性的微观研究方法以r 从结合面表面的微观特征的分析入手，采用弹性接触理论和概率分析方法，对前面提及的影响因素进行论述。2 3 1 表面接触时的相互作用当两个粗糙表f i _ | 受到载荷作用而发生接触时，最先接触的是两个表面对应的微凸体高度之和为最大值的部位，随蒜载荷增加，其它新的成对的微凸体也将柑继发，f 接触。每微凸体进入接触时，开始是弹忭变形，但随着载荷的增加，在某时刻将出现塑性变形，准确的说将处于弹塑性变形状态，当载俏进一步增加，则表而波纹度的弹性变形逐渐明显起来，它将促使轮廓面积增加和承受载荷的微凸体数增加，当然，同表而高度不同的微凸体变形也不相同。当接触表面相对滑动或受到交变加载时，开始是跑合过程，该过程的接触大部分是塑性变形，表面层的物理一力学性能和微观几何形状也将变化，并得到某个新的不变的粗糙度。经磨合或定时间加载后，表而的接触将会逐渐地以弹性变形为主，此时，随载荷的变化表面微观几何形状虽也发生变化，但表面的性质将小会有很人的改变。23 2 表面接触的g w 模型理论1 9 9 6 年g r e e n w o o d 和w i l l i a m s o n 应用表面轮廓仪对实际表面进行了测量，发现大多数工程表面的高度分布呈高斯分布。因此他们提出了一个新的模型，假设表面为一定密度的等曲率球状微凸体按高斯分布覆盖在光滑的平面上，当改表面与光滑平面相接触时，每个微凸体的变形规律符合h e r t z 公式1 2 7 】。并由此导出了平面接触的微凸体数、甲均接触面积及载荷期望值与两平而距离的关系式。这一研究工作奠定了州随机模型来准确描述半日糙表面接触的基础，提出的模型即被称为g w 模型。根据这个模型理论得到的粗糙甲面与光滑平面接触时的接触而积a 和法向载荷w 与两个平面问距离d 的公式如下：爿= m r f ：0 一d ) ( z ) 出= 兰砌“2 f ( z d ) ”2 比k式中m ，r 粗糙表面微凸体数( 峰点数) ，微凸体平均曲率半径；( z ) ，e _ 一表面微凸体峰高分却的概率密度函数，微凸体的弹性模量若用标准化变量柬表达以上二公式，则有：爿一，m r 井j )彬：( 4 3 ) 森m 口一必删( 2 。1 1 )c ( a ) = fo 一“0 胁，( a = 1 ，3 2 )( 2 1 2 )式中h = d o ；s = z o ：o - 表面峰商分布的标准荠：北京1 业人学碗i 学仃融丈( 5 ) 概率密度函数，( s ) = e 。1 2 以r 是针刘一粗糙表向与一理想光滑平面接触的情况而得到的关系j c 。对于两个粗糙平面接触的情况，当它们的峰高分布均为高斯分稚叫，只需简币地以f面的各当量值分别代替 述公式巾的相应项即可：丌一 f = 了1 1 111p l 。1 一2 。o2v 叽”：百2 百+ ii 。寸+ 。e ，一式中a l ，魂，r 】，r 2两个表面的微凸体的峰高分布力差和平均曲率、p 径；巨，e ：，口、，肛：两个表而的弹性模量和泊松比2 3 3 轮廓面积的计算对于轮廓表面间的接触，接触将发生在个别的一些点上。由于波纹度的存在，这些接触点将主要出现在波峰上，形成所隋的轮廓接触区。相对于表血的名义接触而积( 以 表示) 而言，前者构成真实接触面积( 以爿，表示) ，后者则构成轮廓接触面积( 以爿。表示) ，此时，前面提到的峰点数m 则应是指在轮廓面积上所包含的微 _ l 体数。在g w 模型中并未考虑波纹度的影响，为了更符合实际接触情况，有必要在汁算中计入该一因素。为此先讨论轮廓面积的计算问题。设n 为单位轮廓而积上的微凸体数( 即微 体分布密度n = m