【摘要】：接觸特性參數(shù)包含接觸剛度、接觸阻尼和靜摩擦系數(shù)、接觸熱阻抗和接觸電阻抗等參數(shù),對(duì)于機(jī)械結(jié)合部,前三個(gè)接觸參數(shù)直接影響著整機(jī)靜態(tài)特性及動(dòng)態(tài)特性。一臺(tái)機(jī)床中機(jī)械結(jié)合部的剛度和阻尼相對(duì)于材料本身的剛度與阻尼占據(jù)著主導(dǎo)地位,從而成為研究整機(jī)靜動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵參數(shù)。但是由于結(jié)合部接觸特性具有復(fù)雜的非線性特性,在很長的一段時(shí)間里,結(jié)合部的接觸特性參數(shù)產(chǎn)生的機(jī)理并沒有得到較透徹研究,導(dǎo)致從理論上精確建立機(jī)械接合部動(dòng)力學(xué)模型也變得非常困難。故本文將致力于從機(jī)理上研究結(jié)合部接觸特性,建立接觸特性參數(shù)的解析模型,分析影響因素,為高精度的參數(shù)化建模提供一種方法,為機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本文研究的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:提出了一種基于分形理論的結(jié)合部接觸力學(xué)模型。利用改進(jìn)的三維WM分形函數(shù)對(duì)接觸表面進(jìn)行表征,從結(jié)合部微觀接觸特性著手,分析了微凸體變形的彈性、彈塑性、完全塑性接觸力學(xué)特性,基于Hertz接觸理論和分形理論,建立了微凸體彈塑性變形階段的接觸載荷與接觸面積方程,提出了微凸體接觸力學(xué)模型。利用島嶼面積分布的分形理論,建立了結(jié)合部接觸力學(xué)模型,并分析了分形參數(shù)及法向載荷對(duì)其作用規(guī)律。將建立的微凸體接觸力學(xué)模型與四種經(jīng)典的接觸理論及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,證明了本文提出的接觸模型的有效性和普適性。建立了結(jié)合部法向及切向接觸剛度參數(shù)的解析模型。利用微凸體接觸力學(xué)模型及Mindlin球體滑移接觸理論,分析得出彈性區(qū)和彈塑性區(qū)的微凸體法向及切向接觸靜剛度�；诜中卫碚�,建立結(jié)合部的法向及切向靜剛度參數(shù)模型。同時(shí),研究了球體-平面動(dòng)態(tài)接觸的振動(dòng)微分方程,推導(dǎo)出微凸體接觸的線性化靜剛度,首次建立了具有分形特征結(jié)合部的動(dòng)剛度與靜剛度的聯(lián)系。另一方面,探索了結(jié)合部在流體潤滑狀態(tài)下的剛度特性,基于分形理論建立了部分膜潤滑狀態(tài)下粗糙面接觸的平均雷諾方程,利用分離變量法得到流體平均壓力解析解,推導(dǎo)出流體剛度,建立了包含固體接觸剛度和流體剛度的結(jié)合部等效剛度參數(shù)的解析模型,并分析了各種影響因素的作用規(guī)律。研究了結(jié)合部法向及切向接觸阻尼參數(shù)的解析模型�；诜中卫碚摷癝abot振動(dòng)接觸理論,推導(dǎo)了結(jié)合部每周期法向能量損耗及存儲(chǔ)表達(dá)式,同時(shí)聯(lián)合分形理論及Mindlin理論,計(jì)算出每周期切向能量損耗及存儲(chǔ)方程,建立結(jié)合部的法向及切向接觸阻尼參數(shù)的解析模型。另一方面,研究了結(jié)合部在流體潤滑狀態(tài)下阻尼特性,利用部分膜潤滑平均雷諾方程,解出部分膜潤滑狀態(tài)下接觸法向流體阻尼,最終建立了包含固體接觸阻尼和流體阻尼的結(jié)合部等效阻尼的解析模型,同時(shí)分析了各種影響因素的作用規(guī)律。推導(dǎo)了結(jié)合部靜摩擦系數(shù)參數(shù)的解析模型。利用第三強(qiáng)度理論,解出微凸體最大靜摩擦力,基于分形接觸模型,建立了結(jié)合部的最大靜摩擦力及靜摩擦系數(shù)模型。同時(shí),研究了結(jié)合部在流體潤滑狀態(tài)下的摩擦特性,基于牛頓粘性定律并結(jié)合流體平均壓力解析解,推導(dǎo)出部分膜潤滑狀態(tài)下流體摩擦力表達(dá)式,建立了部分膜潤滑狀態(tài)下的靜摩擦系數(shù)模型。最后,對(duì)試件表面進(jìn)行輪廓測(cè)試分析,獲取接觸分形參數(shù)。對(duì)螺栓固定結(jié)合部進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn),獲取諧振頻率及頻響函數(shù)。搭建摩擦力試驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行摩擦力試驗(yàn),獲取靜摩擦系數(shù)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文推導(dǎo)的接觸特性參數(shù)解析解的正確性。
[Abstract]:The contact characteristic parameters include contact stiffness, contact damping and static friction coefficient, contact thermal impedance and contact resistance resistance and other parameters. For the mechanical combination part, the first three contact parameters directly affect the static and dynamic characteristics of the whole machine. The stiffness and damping of the mechanical joint part in a machine tool are occupied by the stiffness and damping of the material itself. The leading position is the key parameter to study the static and dynamic performance of the whole machine. However, due to the complex nonlinear characteristics of the contact characteristics of the joint, the mechanism produced by the contact characteristic parameters of the joint has not been thoroughly studied in a long period of time, which leads to the precise establishment of the mechanical joint dynamic model in theory. It will become very difficult. Therefore, this article will be devoted to studying the contact characteristics of the joint from the mechanism, establishing the analytical model of the contact characteristic parameters, analyzing the influencing factors, providing a method for the high precision parameterized modeling, and providing the theoretical basis for the dynamic optimization design of the mechanical structure. The main work and innovation of this study are as follows: A model of contact mechanics based on fractal theory. The contact surface is characterized by the improved three-dimensional WM fractal function. The elastic, elastoplastic and fully plastic contact mechanical properties of the micro convex body are analyzed from the microscopic contact characteristics of the joint. Based on the Hertz contact theory and the fractal theory, the elastoplastic change of the micro convex body is established. The contact mechanics model of micro convex body is put forward by the contact load and contact area equation of the shape stage. Using the fractal theory of the area distribution of the island, the contact mechanics model of the joint is established, and the fractal parameters and the law of the normal load on it are analyzed. The contact force model of the micro convex body and the four classical contact theories and the experimental numbers will be established. According to the comparative analysis, the validity and universality of the contact model proposed in this paper are proved. An analytical model of the joint stiffness and tangential contact stiffness parameters is established. By using the contact mechanics model of the micro convex body and the sliding contact theory of Mindlin sphere, the static stiffness of the normal and tangential contact of the elastic and elastoplastic zones is obtained. Based on the fractal theory, the normal stiffness parameter model of the normal and tangential direction is established. At the same time, the vibration differential equation of the dynamic contact between the sphere and the plane is studied. The linearized static stiffness of the contact of the micro convex body is deduced. The relationship between the dynamic stiffness and the static stiffness with the fractal characteristic joint is first established. On the other hand, the joint is explored in the fluid. The average Reynolds equation of rough surface contact under partial film lubrication is established based on the fractal theory. The analytical solution of the fluid average pressure is obtained by the separation variable method. The fluid stiffness is derived, and the analytical model of the equivalent stiffness parameters of the joint with the solid contact stiffness and the fluid stiffness is established and analyzed. The analytic model of the damping parameters of the normal and tangential contact is studied. Based on the fractal theory and the Sabot vibration contact theory, the energy loss and storage expression for each cycle of the joint are derived, and the energy loss and storage of the tangential energy per cycle are calculated by combining the fractal theory and the Mindlin theory. On the other hand, the damping characteristic of the joint under the condition of fluid lubrication is studied, and the average Reynolds equation of the partial film lubrication is used to solve the damping of the contact method under the lubrication state of the partial membrane. Finally, the solid contact damping and the fluid damping are finally established. The analytical model of the equivalent damping of the combined part is analyzed and the action law of various factors is analyzed. The analytical model of the static friction coefficient of the combined part is derived. The maximum static friction force of the micro convex body is solved by the third strength theory. Based on the fractal contact model, the most large static friction force and the static friction coefficient model of the joint are established. The friction characteristics of the joint under the state of fluid lubrication are derived. Based on the Newton's law of viscosity and the analytical solution of the average pressure of the fluid, the expression of the friction force in the part of the film lubrication is derived. The static friction coefficient model in the part of the film lubrication is established. Finally, the surface of the specimen is tested and analyzed to obtain the contact fractal parameter. The modal test of the bolt fixed joint was carried out to obtain the resonant frequency and frequency response function. The friction test bench was built, the friction test was carried out, and the static friction coefficient parameters were obtained. The experimental results verify the correctness of the analytical solution of the contact characteristic parameters derived in this paper.
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH111

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本文編號(hào)：2130717