（机械制造及其自动化专业论文）考虑结合面特性的多段梁结构动态特性的研究.pdf

，一 - 一 ， 一 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的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文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 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 关于论文使用授权的说明 日期：孑矽? ? ! f 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；学校可以公布论文的全部或部分内 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应遵守此规定) 签名 勰 、i 飞”j 导师签名： 摘要 摘要 随着科学技术的发展，现代大型机床越来越趋于高速高效化，而其主结构系 统的静动态品质往往是影响产品性能的关键因素，这就要求对其建立准确的有限 元模型。本文以北京第一机床厂的某三段梁为研究对象，就如何实现数控机床分 段式主结构快速建立有限元模型及优化设计等问题进行了相应的研究。 提出了一种测试单位面积结合面基础特征参数的方法，此方法以相对位移为 基础，将模型简化为单自由度系统，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工程实际条件下的单位面积结合面的特征参数。并提出 一种利用实验识别参数应用a n s y s 自定义单元处理结合面的方法。 采用了一种新的激振实验方案分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测 量系统及方法。该法采用稳态正弦激振，激振功率大能量集中，高阶模态容易被 激出来；激励响应选用稳态数据，具有较高信噪比( 高于7 5 d b ) ；具有较高频率 分辨率( 由数据采集卡精度决定) ，且整周期采样，测量结果精度高，可靠；采 用对数扫频可大大缩短测振时间。并且将此法与有限元计算结合起来用于三段梁 动态特性的测试 介绍了一种基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这种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，并且用此法对三段梁进行了薄弱环节的快速识别 及简单优化。 关键词：三段梁：结合面；有限元分析；振动试验；单位体积能量法 w i mm e d e v e l o p m e n t o fn l e c o r l t e i l l p o 埘yt e c l l l l 0 1 0 9 ) ， m e 舢m 甜c a l e q u i p m e i 临t u mf 弧ta i l de m c i e n t d y l l a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i co fn l em 血 s y s t e mi sm ek e yf a c t o ro fp r o d u c t i o n s oi tr e q u i r e dt oe s t a b l i s ha c 饥吸此e l 锄e n t m o d e l h l 缸sp a p e rd o e sr e s e a r c ho nq u i c k 嬲s e n 曲1 e ds 仃u c t u r em o d e lb u i l d i l l g 锄d o p t i m u md e s i g nf o rn 啪e n c a lc o n t r 0 1m a c m n ea c c o r d i i 培t 0o n em r e e p a r t sb e 锄 诎c hc 0 m e s 舶m b 啕i i l gn o 1m a c l l i n et 0 0 1p l a n t t 址sp a p e rb r i n go u tau s e 矗l lm e m o do nt e s t i n gt 1 1 ea c t l l a lc o n t a c tr a t i oo f j o i n t s ， w m 6 hi sb a s eo nr e l a t i v ed i s p l a c 固m 豇l to fv i b r a t i o n l o t so fu s e 旬ld a t ao nt a l l g e i l c y r a t i oo fj o i n t si i ls e v e r a ln o n i l a lc o n d i t i o l l sc 锄a l s ob ef o u n di nt h i s p a p e r u s e r e l e i l l 饥ti n a n s y si su s e dt 0d 髓1 、) l ，i n l j o 硫 t l l i sp 印e rp r o p o s e dan o v e ls h o c ke x c i t a t i o ne x p 甜m e n tp r 0 乒锄m e dc a l l e d r 印i dt i i l l e - s t e a d y - s t a t es m u s o i d a le x c i t a t i o ns w e p t 骶q u e i l c yr e s p o n s e 向n c t i o n m e a s u r e m e n ts y s t e m 觚dm e m o d 1 1 1n l i sw a yw ea d o p t e ds t e a d ys 切t es i n u s o i d a l ，l e e x c i 僦o np o w e ri s 伊e a t 觚dm e 锄鹕yi sc o n c e n 仃a t c d h i 曲e r - o r d e rm o d e sc a i lb e s h o c k e do u te 嬲i l y ；e x c i 僦o nr e s p o n s eu s es t a t i cd a _ t aa n dh a v el l i 曲s n r ( m o r e 戗l 强 7 5 d b ) ；h 嬲m o r e 仔e q u e i l c yr e s 0 1 们o n ( d u et 0p r e c i s i o no fa o q u i s i t i o nc a r d ) ，a n di t s a i 】叩l e d i 1 1aw h o l ec y c l e ，也er e 姒ti sc r e d i b l e 觚dh a l sal l i 曲p r e c i s i o n ；w ec a l l 孕e a t l ys h o r t e no u rt e s t i n gt i m e 硒w e 1 l s e1 0 9 撕t h mt os w e e p 吐l e 缸砑u e i l c y a n dw e a l s ob a n d 廿l i sm e m o dt o g 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g ) r u 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论。1 1 1 论文研究工作的背景和意义1 1 2 结合面的国内外研究情况3 1 2 1 结合面静态特性研究状况4 1 2 2 结合面动态特性的研究状况5 1 3 结合面动态特性的影响因素7 1 4 有限元法的研究现状7 1 5 虚拟仪器技术研究现状8 1 6 本文的主要内容及研究成果9 第2 章结合面特征参数实验及有限元模型的建立1 1 2 1 典型单自由度线性振动系统及半功率带宽法1 1 2 2 结合面特征参数的测试方法1 3 2 3 基于单位面积垫块的结合面基础特性数据的识别方法研究一1 5 2 3 1 实验装置的法向模型分析一1 5 2 3 2 实验装置的切向模型分析19 2 3 3 结合面基础特性识别举例2 1 2 4 实验结果的分析与结论一2 2 。 2 5 结合面有限元模型的建立2 4 2 5 1 用于建模的a n s y s 自定义单元及其单元特性2 4 2 5 2 结合面的处理方法2 5 2 6 本章小结一2 6 第3 章三段梁缩小模型的建立及其动态分析2 7 3 1 有限元方法简介2 7 3 1 1 应力与平衡方程。2 7 3 1 2 最小势能的原理一2 8 3 1 3 虚功原理。2 9 3 1 4 有限元方法简介2 9 3 2 有限元分析软件a n s y s 3 0 3 2 1 前处理模块p i 迮p 7 3 1 3 2 2 求解模块s o l ，u t i o n 31 3 - 3 3 后处理模块p o s t 3 2 i h 北京1 = 业大学硕十学位论文 3 3 缩小模型的建立3 2 3 4 缩小模型的动态特性分析计算3 3 3 5 本章小结3 6 第4 章三段梁动态测试方法研究3 7 4 1 三段梁模型的动态测试方法一3 7 4 1 1 软件背景介绍一3 7 4 1 2 分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统3 8 4 1 3 软件测试的流程3 9 4 2 对三段梁缩小模型进行动态测试4 2 4 3 有限元分析与测试结果的比较结论4 7 4 4 本章小结一4 7 第5 章三段梁模型的有限元计算及动态测试 5 1 三段梁模型的建立_ 4 9 5 1 1 三段梁的实体造型4 9 5 1 2 三段梁结合面的位置以及结合面的处理5 0 5 1 3 三段梁模型简化原则一5 1 5 2 三段梁的静力分析以及模态分析5 2 5 3 三段梁的动态测试5 5 5 4 测试结果的分析总结一5 8 5 5 本章小结5 9 第6 章基于单位体积能量法的薄弱环节的识别修改 6 1 单位体积能量法概述61 - 6 1 1 影响结构动态特性的要素一6 1 - 6 1 2 薄弱子结构的识别和结构修改一6 2 6 1 3 基于单位体积能量的结构优化与布局修改6 4 6 2a p d l 参数化语言概论6 5 6 3 基于单位体积能量的a n s y s 二次开发6 5 6 4 基于单位体积能量的薄弱环节的快速识别6 7 6 5 基于薄弱环节识别的修改6 7 6 6 本章小结6 8 结论与展望 参考文献 攻读硕士学位期间所取得的研究成果 致谢 - 7 1 - - 7 5 7 7 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文研究工作的背景和意义 - 制造业是国民经济最重要的基础支柱产业，随着经济全球化和一体化的进 程，各国都把先进制造技术( a m t ) 的研究、开发和应用作为国家发展的关键 给予优先和支持【l 】。数控机床作为装备制造业的技术基础，是其主要的研究发展 方向。 数控机床是5 0 年代发展起来的新型自动化机床，它综合了电子计算机、自 动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等诸方面的先进技术，随着微电子、 计算机技术的进步，数控机床在2 0 世纪8 0 年代后快速发展，此时数控技术也成 为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 各国竞相发展的重要产品，在国内外市场中的竞争非常激烈，目前数控产业发展 的主要方向之一是数控设备的高精、高速、高效化。 以德、美、日三国为代表的西方国家一直走在数控机床科研、设计、制造和 使用方面技术的前列，他们拥有现代最先进的技术和最丰富的经验。最有代表性 的如德国的德马吉，其一款d m c 6 0 h 高速加工中心各个轴都是由直线电机驱动， 转速均在1 0 0 0 0 r p m 以上，快速移动最高可达1 0 0 m m h 加速度为1 6 9 。还有德 国的西门子，美国的哈挺、辛西那提，日本的m a z a k 等公司；此外欧洲也有很 多企业如意大利f i d i a 、瑞士a 西e 等机器制造商集团都拥有非常先进的机床制造 加工技术【2 1 。而由于近几年来市场需求的拉动和国家科技计划引导与支持，我国 企业的数控机床占有率也逐年上升，中高档数控机床的开发也取得了突破，在复 合加工、高速加工、超精加工和数字化设计等一批关键技术上取得了较大的进展 【3 】。在2 0 0 7 年的中国国际机床展览会上，我们熟知的北京第一机床厂、北京机 电院、沈阳机床厂、上海机床厂、济南第二机床厂、哈尔滨量具刃具集团等大型 机床制造企业都各自展出了显示国内最先进水平的多种加工中心。这些表明现代 机械制造工业向高精度、高速度、高效率的方向飞速发展，高效数控机床也越来 越受到用户的青睐，这些对数控机床的设计生产提出了更高的要求。 传统的机床设计基本上都属于静态设计，主要是为了考虑制造工艺以及控制 机械在静载荷下的强度和刚度，保证机械的变形精度并且不能发生破坏，校核结 构的应力、应变及总变形是否属于合理范围之内【4 1 。但是数控机床结构十分复杂， 其动刚度与结构形式有很大关系。仅仅有良好的静态特性已经无法满足数控机床 高精度、高表面加工质量和高效率的生产需求，数控机床整机动态特性的好坏直 北京工业大学硕士学位论文 接影响数控机床的性能，正因为如此，数控机床的动态性能已经被用作评估机床 性能的重要指标。为了缩短新产品研发周期和提高一次设计的成功率，需要早在 机床设计阶段之时就对整机进行动力学建模和动态特性分析来预测评估整机的 动态性能，这对研究机床的加工性能、机床的振动以及对机床结构进行动态优化 设计都具有重要意义。 在工程实际中，对机床动态性能进行计算分析还存在很多困难，尤其是机床 零部件之间的结合面刚度、阻尼等参数难以十分精确的确定，目前尚且没有能准 确反映结合面实际状况的处理方法【5 】。结合面对机床整体性能的影响很大，不能 够建立精确的机床结构动力学模型的重要原因之一是对机床结合面特征参数的 精确识别很困难。结合面刚度往往是机械结构整体刚度的重要组成部分，有时甚 至成为整体刚度的薄弱环节。许多研究表明：机床的静刚度中3 0 5 0 决定 于结合面的刚度特性，亦即，一台机床的床身、立柱、横梁等等主结构件即使设 计得很粗大结实，若结合面没有处理好，整机的刚度也不会很好。而象机床这样 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。 在机电部北京机床研究所为7 1 4 立式加工中心所做的薄弱环节识别实验中， 优势频率为4 2 9 0 h z 时，主轴和主轴箱一立柱一床身系统( 简称刀具系统) 的位移 占变形的主要比重，为薄弱环节；而在1 2 8 3 h z 时，工作台一滑座一床身系统( 简 称工作子系统) 的位移占主要比重，其中构件间的位移为相应构件本体位移的3 4 倍，最大可达1 0 倍，这时结合面成为明显的薄弱环节。结合面不仅对机械结 构刚度影响很大，而且对机械结构阻尼的影响更为明显。据统计，机床上出现振 动问题有6 0 以上是源自结合面，对于机床等由刚性零件组成的结构，其阻尼 值的9 0 以上来源于结合面的阻尼。根据实测统计，一台机床的阻尼比为0 1 o 2 ，而材料的内阻尼比，对于铸铁一般小于o 0 2 ，钢材则不超过o 0 0 1 。和零件 本身的阻尼相比，结合面阻尼占有绝对优势。此外，结合面的热阻特性对机床热 量的传导、隔离以及由此形成的温度场和热变形有相当大的影响，结合面的材料 和表面状态不同使导热系数有几倍甚至十几倍的差掣6 1 。 既然结合面对机床性能的影响如此之大，故研究结合面特性的机理、应用以 及如何精确地识别结合面的刚度阻尼等参数、如何处理结合面模型等问题成为一 个十分重要的基础性课题。围绕结合面问题的研究也已经成为机床结构的设计与 创新、性能的解析与改善、提高c a d c a e 一体化的重要关键。多年来，虽然各 国学者投入了大量的人力和物力，从宏观到微观、从现象到本质，利用理论分析 和现场实验测试对机械结构中的多种典型结合面进行了大量的研究，但至今仍未 能完全了解和真正揭示结合面作用机理的本质。总体来说，目前结合面方面的研 究工作还存在下面的问题： ( 1 ) 缺少设计高刚度、大阻尼结合面结构方面的新方法、新思路。 ( 2 ) 基本没有涉及到结合面一阻尼模型的研究，无法对大型或超大型结构的 第1 章绪论 动态响应进行有效的分析计算。 ( 3 ) 不能对影响结合面力学特性各因素进行定量分析，因而无法获得对结合 面力学特性的有效的改善措施。 ( 4 ) 识别出的结合面的刚度与阻尼系数都过于简化，没有综合考虑结合件本 身的弹性和界面的弹性之间的相互影响，识别过程的误差很大。 ( 5 ) 不能提供结合面力学特性的通用分析模型，需要进行整机或分部件的实 验来识别界面刚度、阻尼系数，只能对特定结构的特定连接状态进行针对性的实 验研究，甚至需要制造出样机，耗费的投资太大。无法提供可靠的结合面参数用 于新产品的无样机设计开发【_ 丌。 在对机床进行分析研究的过程中，由于各方面的限制不可能一直以实体机床 进行测试研究，故仿真技术与虚拟仪器技术等测试技术便被用于研究当中。美国 国家仪器公司( n a t i o n a lh s 仉腿e i l t s ) 于1 9 8 6 年首先提出基于计算机技术的虚拟 仪器( v i r t 岫l1 1 1 s t r l 曲髓t s 简称v i ) 的概念，它是在以计算机为核心的硬件平台 上，由用户设计定义的、具有虚拟仪器面板的、测试功能由测试软件实现的一种 计算机仪器系统【8 】。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简单，也是最本质的表 述。虚拟仪器是对传统仪器的重大突破，是计算机系统与仪器系统相结合的产物， 代表着以传统硬件为主的测量系统到以软件为主的测量系统的根本性转变【9 】。虚 拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易 构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领 域更是不可多得的好工具。因此，在对机床的测试分析当中，引入一套虚拟仪器 系统将会使测试过程简单方便而又不失精确。 本文从以上几点出发，以北京第一机床厂的某分段大梁为研究对象对其进行 了一系列的动态特性的研究，研究分段式结构其结合面对整体结构的动态特性的 影响，为现代高抗振机械设备的设计优化等方面提供理论参考。 1 2 结合面的国内外研究情况 众所周知，机床乃至各类机械，为了满足各种功能、性能和加工要求以及运输 上的方便，一般都不是一个连续的整体，而是由各种零件按照一定的具体要求组合 起来的。称零件、组件、部件之间相互接触的表面为“机械结合面 ，简称“结 合面 ，或称“接触面”。从运动来看，结合面可分为三类，即固定结合面、半固定 结合面和运动结合面。固定结合面是最为普遍的一种结合面，它主要起固定联接 和支承的作用。运动结合面是指相互联接的两个零部件之间在工作状态时存在宏 观相对运动的结合面。而半固定结合面则是指有时固定有时又会出现相对运动的 结合面，如摩擦离合器的联接与接触等。 结合面在机械结构中的大量存在，从而使机械结构或机械系统不再具有连续 北京工业大学硕士学位论文 性，使问题变得复杂化。结合面存在着接触刚度和接触阻尼，从力学的角度来分析 结合面问题，可以得出它和机械结构的静动态特性以及振动和振动控制方面都紧 紧相关。因此，对结合面静动态特性的研究无论是从理论上还是从实践上都具有 十分重要的意义，也正是因为如此，各国的学者对多种结合面静动态特性的研究 也给予了极大的关注和重视，并进行了大量的研究工作【1 0 j 。 1 2 1 结合面静态特性研究状况 机床上的各种结合面对机床的动静态性能有着显著影响，要分析这些影响因 素，就必须搞清结合面的压力分布状况以及构成结合面的构件的变形等问题。而 要搞清这些问题不仅要考虑结合面本身的变形，而且还要考虑结合面周围构件的 变形，故对结合面的研究首先要从结合面的静态特性开始，早在5 0 年代前苏联就 已经开始对各种滑动导轨和铸铁固定结合面的静态特性进行了测赳1 1 】。关于结 合面的法向静态特性，许多学者如l e 啊n a 、o s 仃o v s l ( i i 对相对较小的金属结合面进 行了实验研究，结果表明，结合面的变形是结合面上的法向压力的函数，此函数为 非线性函数，这种函数关系基本符合指数函数关系，而这种结合面变形是结合面上 粗糙微凸峰的变形。d o l b e y 和b e l l 的实验研究是在平面导轨的面压范围 ( p n o 5 m p a ) 内进行的，结果发现在法向加载曲线和卸载曲线之间出现了迟滞现 象。但实际机床中的固定结合面的面压要比滑动结合面的面压高，c o m 0 1 e y 、 s c h o f i e l d 和1 1 1 0 n 1 1 e y 对此都进行了实验研究，结果发现其法向加载曲线和卸载曲 线与低面压时的情况基本不相同。故这些学者们认为，结合面的塑性变形对结构 中零件的初始相对位置是很重要的，但是对于结合面的接触刚度或者说工作刚度 而言只有其弹性变形才是人们所关心的。结合面的法向接触刚度大小是由结合 面法向压力和结合面变形之间的关系曲线的斜率来决定的。这些研究均表明，结 合面的法向接触刚度与结合面的材料( 主要是其弹性性能) 、结合面加工方法及表 面粗糙度、接触面积以及结合面的法向压力等有关。d o l b e y 和b e l l 的研究表明， 结合面的硬度对结合面的法向接触刚度无影响。c o 皿0 1 e y 的研究表明，形成结合 面的两个粗糙表面上的加工网纹的相对方向或多或少地对结合面的法向接触刚 度产生影响。由于上述研究基本上是针对较小的试件所进行的，因此结合面波纹 度和平面度对实验结果的影响很小可以忽略不计。 实际中结合面的平面度误差会随着结合面尺寸的增大而被放大，c o n n 0 1 e y 的 研究说明了平面度误差将会影响到结合面上凸峰的分布或者结合面的承载面积 大小从而导致结合面的法向接触刚度与结合面的名义面积不成正比，而导轨结 合面的平面度误差同样可以引起相同类型机床的整体刚度的不一致。t e l l i l e r 对七 台单立柱坐标镗床所进行的静刚度测量结果的不一致性充分说明了这一点。 i e v i n a 和t 锄e r 都曾给出了具有规律性平面度误差的结合面( 凸状的、正弦曲线 第1 专绪论 形的等) 的法向接触变形的表达式。尽管这些研究与实际的情况可能存在着差异， 但也足够充分的说明了平面度误差的影响。 以上介绍的均是关于结合面法向静态特性的研究。但是在机械结构的实际工 作中，力从一个构件传到另一个构件都是由结合面上的法向和切向力共同作用来 来实现的，故对结合面的切向静态特性的研究同样也十分必要。早在6 0 年代末， 基尔萨诺娃等就对此进行了研究，结果表明结合面的切向变形与切向载荷之间成 非线性关系。r s 锄o v a 、m a u s u l 【o 、益子、b u r d e l ( i n 等的研究进一步证实了基尔 萨诺娃的结论。他们的研究结果可简单地归纳为【1 2 1 ： ( 1 ) 结合面的切向加载和卸载曲线之间存在迟滞现象，即使在切向载荷小于结 合面最大静摩擦力的情况下也如此： ( 2 ) 结合面的切向接触刚度与结合面面压成非线性关系，接触刚度随面压增大 而增大。 上述研究工作基本都是对最基本的二平面接触形式的结合面所进行的。而实 际机械结构中最典型的结合面是螺栓形式的固定结合面，由于其接触部位至少有 两个，故对其进行静态特性的研究就会变得相对困难。伊藤、周三对两种典型的 螺栓结合面承受弯曲载荷的情况进行了实验研究，并对螺栓的分布形式和结合部 的尺寸对螺栓结合面静态特性的影响进行了研究。严格地讲，这种研究结果中包 含有结构的影响，因此是针对性的研究。7 0 年代末，小泉忠由等【1 3 】对螺栓结合面承 受切向重复加载时的切向静态特性进行了实验研究，结果表明，切向变形随重复加 载次数的增加而减小，其减小率与结合面材料及其表面粗糙度有关，并随表面粗糙 度增大而增大。在国内有关结合面静态特性的研究相对较晚，大约起始于8 0 年代 初，而令人欣慰的是这方面已取得了相当大的成就。通过对多种结合条件下平面 结合面静态特性的实验研究，已获得了大量可供实际设计使用的结合面静态特性 参数数据，通过对结合面静态特性影响因素的详细分析，给出了其合理的科学的分 类与分析处理方法，进而提出了结合面静态基础特性参数的概念【1 4 1 ，从而大大丰 富了结合面静态特性研究的内容。 1 2 2 结合面动态特性的研究状况 机械结构中的阻尼很大，不能用寻常的处理即按材料阻尼来处理，这种阻尼主 要是来自于机械结构中的各种结合面阻尼。因此，研究结合面的阻尼，将会在理解 和把握机械结构的整体阻尼方面具有重要意义。与结合面静态特性研究相比，结 合面动态特性的研究要困难得多，其原因有二，首先结合面本身并不是一个独立的 动力学单元，它只能存在于机械结构系统中；二是结合面本身的阻尼与它所处结构 系统中的其他结构阻尼往往处于同一个数量级，这给测试工作带来了不小的麻 烦。正因为如此，结合面动态特性实验研究中测试设备和测试技术必须要有更高 北京工业大学硕士学位论文 的要求 15 1 。 6 0 年代后期，c o r b a 曲就二平面结合面的法向特性进行了一系列实验研究； 而b e l l 和b u r d 出n 则利用一个尺寸参数与实际机床相近的模型，研究了滑动速度 与阻尼的关系，同时也研究了润滑油的使用效果和导轨材料对阻尼的影响。 a n d r e w 、1 1 1 0 n 1 1 e y 、p e r a 和d o l b e y 以及d e k o i l i n k 都曾做实验测量结合面的 法向动态特性，由于他们的实验装置和测试方案存在一定的缺陷，导致所得结果 的可靠性较差，但是这些实验对于得出一些一般性的结论仍是较为可靠的【16 1 ，并 且根据这些实验结果得出了三个重要结论，即： ( 1 ) 无油结合面的法向动刚度接近于法向静刚度，其阻尼很小； ( 2 ) 具有油膜的结合面，其阻尼较大，且阻尼系数与法向载荷无关，而结合面的 阻尼损耗因子与频率有关： ( 3 ) 具有油膜的结合面的法向阻尼机理相当于挤压油膜阻尼。但因缺乏具体 的实验数据，没能给出结合面的法向阻尼系数。 7 0 年代。日本学者堤正臣、伊东谊和益子正己【r 7 】对承受弯曲载荷的螺栓结 合面的动态特性进行了实验研究，得出了一些重要的定性结论，并提出了结合面间 的相对运动是结合面阻尼产生的主要原因这个假设，他们的研究可以认为是对结 合面切向动态特性研究的真正开始，而他们共同的结论是结合面切向动态特性具 有迟滞非线性，这种迟滞非线性是结合面阻尼产生的主要原因，且每个振动周期的 阻尼耗能与振动频率无关，并给出了其阻尼耗能的数学模型。堤正臣还进一步分 析了结合面切向阻尼的产生机理，认为结合面间的微观滑移是结合面切向阻尼产 生的原因。8 0 年代末到9 0 年代初，印度学者p a d m a i l a b h a n 再次进行了类似的实 验研究，并利用响应表面法建立了结合面的切向阻尼耗能模型。小泉忠由等以及 狩野正树、山中和行和山田昭夫等也都先后进行了结合面切向动态特性的研究。 1 9 7 9 年前苏联学者曾进行了机床螺纹联接阻尼的研究，认为其能量耗损的原因 是螺纹间及相配零件结合面处的摩擦，以及接触表面的相互碰撞，并通过多因素相 关递归分析，得出了单个螺纹联接的阻尼比。这一研究结果是至今仅有的，因而其 可靠性如何尚待进一步的研究。8 0 年代末，日本著名学者伊东谊对机床结合面研 究的历史进行了回顾与展望，他认为确定结合面阻尼及其衰减能的理论计算方法 依然没有得以解决。从此以后，结合面的研究便进入了一个低潮期。 国内黄玉美、张学良等对结合面动态基础特性参数的理论及其获取方法的研 究进行了具有一定特色的较为深入的研究，提出了用于获取具有通用性的结合面 动态基础特性参数的实验装置的设计原则和结合面动态基础特性参数的影响因 素的处理方法，并首次提出了结合面动态基础特性参数的人工神经网络结构化建 模方法，对结合面的阻尼机理进行了进一步的深入研究，提出了固定结合面迟滞变 形阻尼机理的本质是结合面间的微观( 局部) 滑移阻尼耗能以及以微观( 局部) 滑 移阻尼耗能为主、微观局部撞击阻尼耗能为辅的固定结合面阻尼耗能机理【l8 1 。 第1 章绪论 综上所述，结合面动态特性实验研究可认为在以下几个方面是比较一致的： 1 ) 影响结合面动态特性的因素除了前面已经提及的影响结合面静态特性的 因素以外，还有结合面上的动载荷大小、振动频率、结合面间的动态相对位移； 2 ) 结合面动态特性具有非线性； 3 ) 结合面阻尼的产生机理因具体结合条件不同而不同，主要有库仑摩擦阻 尼、挤压油膜阻尼、迟滞变形和微观滑移所产生的结合面阻尼： 4 ) 结合面动态特性可用结合面的法向和切向刚度与阻尼来模拟或表征【l9 1 。 1 3 结合面动态特性的影响因素 结合面特性的研究非常复杂，其主要原因是影响结合面特性的因素太多，并 且大多是非线性因素，而工作情况及使用条件的多样化，使问题更加复杂化。结 合面主要的影响因素如下【2 0 】： ( 1 ) 结合面的材料( g 剪切模量、e 弹性模量、p 泊松比、b ) 或材质； ( 2 ) 结合面的加工方法( 车、铣、刨、磨等) ； ( 3 ) 结合面的粗糙度r a ； ( 4 ) 结合面的形状； ( 5 ) 结合面的初始面压( 指法向面压) ； ( 6 ) 结合面的结合状态( 面压分布) ； ( 7 ) 结合面处的静载荷( 工作面压) ； ( 8 ) 结合面的功能( 固定、半固定、滑动、滚动等) ； ( 9 ) 结合面的结构、类型、尺寸； ( 1 0 ) 结合面处的动态力； ( 1 1 ) 振动频率( i ) ； ( 1 2 ) 结合面的相对振动位移( 幅值与相位) ； ( 1 3 ) 结合面的润滑情况( 无油、含油、油的种类等) 。 上述影响因素中，有些因素的影响是相互的。在所列举的1 3 项影响因素中， 其中的( 4 ) 、( 6 ) 、( 8 ) 、( 9 ) 是与结构相关的影响因素；( 5 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 、( 1 0 ) 、( 1 1 ) 、 ( 1 2 ) 、( 1 3 ) 是与工作情况有关的因素；( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 、( 5 ) 、( 8 ) 、( 1 1 ) 、( 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，可将与结构和工作情况有关 的影响因素留给设计时处理；而将反映结合面特性的因素在结合面基础特性参数 中表示出来，显然，有些因素两方面都必须考虑。如( 5 ) 、( 8 ) 、( 1 1 ) 、( 1 2 ) 、( 1 3 ) 。 1 4 有限元法的研究现状 有限元法是现代设计方法中的一个重要方法，它是一种以电子计算机为载体 北京下业大学硕士学位论文 和工具的现代数值计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展 和应用。它不仅能用于工程设计中进行复杂结构的静态和动态分析，而且还可以 用于工程中复杂的非线性、非稳态问题的求解，并能准确的计算形状复杂零件的 应力分布和变形，成为对复杂零件强度和刚度计算的有利分析工具。 5 0 年代中期至6 0 年代末，有限元法的理论出现并且迅猛发展，由于当时理 论尚处于初级阶段，计算机的软硬件件也无法满足需求，有限元的方法和有限元 程序无法在工程上被普及。到6 0 年代末7 0 年代初出现了大型通用有限元程序， 它们以软件功能强大、用户使用方便、计算结果可靠和研究效率很高而著称，并 且逐渐产生了新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工具。 近年来有限元分析方法在工程计算中发挥了重要的作用，小到自行车大到航 天飞机，所有的设计和制造都离不开有限元的分析计算。美日德国等发达国家竞 相在飞机、汽车等新产品领域使用有限元法进行设计开发，水平已处于世界前列。 美国的a 1 t a l l 在金属成型过程中应用有限元方法，大大减少了加工时间和成本； g h o 胁等人采用有限元方法对闭合模精锻进行模拟，为闭合模的设计和精锻成 型提供了技术指导和理论参考；c h e i l o t 等人对热模锻中的热力耦合大变形问题 进行了有限元计算，得到了热力耦合下锻件的高应力区和成型过程，解决了锻造 中力学与热力耦合的难点，为复杂的模锻成型提供了理论依据；美国福特汽车公 司早在二十世纪7 0 年代就使用了n a s t r a n 软件，用板、梁单元进行车底架的 静态分析，找出高应力区并改进应力分布；日本五十菱汽车公司在8 0 年代末将 有限元分析应用到车底架设计的各个阶段，从最初设计阶段的粗略模型，到设计 中后期的细化模型，分析的范围包括强度、刚度、振动、疲劳、碰撞及形状和重 量的优化。 国内的许多学者也不甘落后，纷纷采用有限元方法对工程中( 如机架、桥梁 等) 的各种结构等进行静、动态分析和计算，并且取得了很好的效果。潘紫微对 4 m 斜刃剪切机架进行了有限元分析，李德军对2 2 m 液压机整体框架式机身进行 了有限元分析，陈先宝使用有限元分析软件对j 3 6 8 0 0 b 压力机进行了动态有限 元计算，付群峰对无横梁高刚度轧机机架进行了有限元分析，王思明对钢管轧机 机架采用了有限元分析等等，他们通过对这些结构的有限元分析，揭示了它们的 静、动态特性，真实反映了这些结构在工作状态下的实际应力应变规律，为其整 体设计提供了很好的理论依据和实践经验。 1 5 虚拟仪器技术研究现状 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义属于自己的专用仪器系统，且功能灵 活，构建方便，所以应用面极为广泛。尤其在科研开发、计量检测、测控等领域 更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，符合国际上流行的“硬件软件化” 第1 章绪论 的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分 析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器的全部功能，配以专用探头和相应的 软件还可检测特定系统的参数；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，与传 统设备的使用习惯一致，用户不经培训便可迅速掌握操作规程；它集成方便，不 但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控 制系绀2 1 1 。 在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压电 流表是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。随着计算机技术 在测绘系统中的广泛应用，传统的测量仪器设备由于其独立性而缺乏相应的计算 机接口，因而配合前期的数据采集和后期的数据处理都十分不便。而且，传统仪 器体积相对庞大，进行多种数据测量时更为不便。传统硬件工程师的工作台上堆 砌着纷乱的仪器，交错的线缆和繁多待测器件是常有的事。然而在集成的虚拟测 量系统中，所见到的却是整洁的桌面，条理的操作，不但使测量人员从繁复的仪 器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。其方便之 极固不必多言，而设备成本的大幅降低却不可不提。一套完整的实验测量设备少 则几万元，多则几十万元。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低1 2 甚至更多。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域中具有强大 的生命力和广阔的前景【2 2 1 。 在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空间更为广阔。环顾当今社会，信息 技术的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、集成化。无所不在的计算 机应用为虚拟仪器的推广打下了良好的基础。虚拟仪器的概念就是用专用的软硬 件配合计算机实现专有设备的功能，并使其自动化、智能化。因此，虚拟仪器适 合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理及数据传输的计量场合。测量 与处理、结果与分析相互脱节的状况将大为改观。使得数据的拾取、存储、处理 和分析一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。因此，目前常见的计量系统，只要 技术上可行，都可用虚拟仪器代替，可见虚拟仪器的应用空间是非常的宽广【2 3 1 。 1 6 本文的主要内容及研究成果 本文考虑了结合面对整体结构很大影响的情况以及结合面的相关特性提出 了一种仿真分析与实际测试相结合的方法来测试分段件的动态特性的方法，就如 何较精确地识别机床主结构的动态特性，如何实现机床主结构快速动态优化进行 了相应的研究，主要做了如下几方面的工作： 1 ) 测定了多种不同的结合面在不同条件下的单位面积的刚度和阻尼； 2 ) 研究了动态特性测试及动态优化的方法； 3 ) 用仿真以及现场测试等方式测试了某三段梁的动态特性； 北京工业大学硕十学位论文 4 ) 完成了三段梁结构薄弱环节的快速识别和简单优化。 本文也取得了如下的成果： ( 1 ) 设计了一套实验装置来进行结合面实验，总结出了一套高效、准确的测 试方法；实验测定了一些常见的结合条件的下的结合面参数数据，发现材料、粗 糙度、正压力和结合件的形状尺寸等因素对结合面的接触状态有较大的影响；建 立了结合面的有限元模型以便用于有限元的分析计算中，并提出一种利用实验识 别参数应用a n s y s 自定义单元处理结合面的使用有效的方法a ( 2 ) 基于p c 机的计算机虚拟仪器测试系统，以分时快速稳态正弦扫频激振 频响函数测量的方法为基础，设计了一套动态测试系统用以测试三段梁的固有频 率，振型等动态特性，并将其和有限元计算的方法结合起来，既验证了两种方法 的正