【摘要】：隨著航空航天、微納制造及半導體制造等工業(yè)生產的不斷發(fā)展,對高速超精密制造機床的需求正在急劇地提升。然而,由于精密機床結構的復雜性,特別是機床結合部的多樣性,致使傳統(tǒng)機床虛擬樣機的設計理論、性能預測及優(yōu)化計算方法已經很難滿足實際的需求。在機床結合部中,螺栓聯接結合部是機床裝配過程中最常見且使用最多的類型之一。但到目前為止,人們采用了包括將螺栓結合部簡化為解析或數值形式的Iwan模型以及等效層等多種方法,卻仍未構建出能準確地描述螺栓結合部動態(tài)特征的方法。那么,如何在保證設計所需精度的條件下,更加高效地預測出螺栓結合部的動態(tài)特征就成為機床虛擬樣機設計中急需解決的關鍵問題。因此,在前人的研究基礎上,本文提出了一種新型螺栓結合部接觸區(qū)域非線性動態(tài)特征的建模方法,以期為高效、精準地預測螺栓聯接結構體的動態(tài)特征與性能評價奠定基礎。為研究螺栓聯接非線性接觸力對結合部動態(tài)特征的影響,基于組件模態(tài)綜合技術將螺栓聯接模型劃分為兩個子結構模型,并依據模型幾何尺寸和標準材料參數建立起子結構的有限元模型。針對材料參數的不確定性,利用多目標遺傳算法(MOGA)優(yōu)化材料參數,確保子結構模型的準確性,從而為精準地構建螺栓聯接模型奠定基礎。利用混合模態(tài)坐標縮減技術,將螺栓聯接模型中線性自由度的特征模態(tài)進行高階截斷,而接觸區(qū)域可表征非線性動態(tài)特性的物理自由度則被全部保留。以此為基礎,依據推導獲得的混合模態(tài)坐標縮減變換矩陣,構建出混合模態(tài)坐標條件下子結構的縮減模型,進而在保證計算精度的前提下可大大提升計算與分析的效率。為了便于螺栓結合部非線性動態(tài)特征的求解,通過引入可等效表征非線性特征的接觸耦合凝聚點,利用坐標變換將接觸區(qū)域耦合面的非線性接觸力凝聚到該作用點上,從而在保證計算精度的前提下有效降低非線性耦合結合部求解的自由度數,節(jié)約了計算資源。通過理論計算的頻率響應與模態(tài)實驗對比,驗證了螺栓結合部接觸區(qū)域非線性動態(tài)特征凝聚建模方法的有效性與可行性,這將為精準、高效地預測機床虛擬樣機的動態(tài)特征與性能評價奠定基礎。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH131.3
【圖文】：

常常利用多自由度系統(tǒng)的來對復雜系統(tǒng)的立成一個含有 n 個自由度且相互耦合的二階 + + = C 為阻尼矩陣或者陀螺矩陣；K 為剛度矩陣；次型表達式中的系數 = { } [ ]{ } 勢能的二次型表達式中的系數 = { } [ ]{ } 阻尼，其具體表達式為 = α + β 本文中阻尼矩陣最終轉換到模態(tài)空間下形文利用 8 節(jié)點的正六面體單元(Solid185)來建u, v, w)的移動自由度，Solid185 單元如圖 2-1

b) 鋁板十字交叉模型圖 2-2 研究對象幾何模型Fig.2-2 The geometric model of research object表 2-2 有限元模型特征Tab.2-2 The feature of finite element model組件 名稱 節(jié)點數 單元類型 單元搭接模型鋼板 1 3818 Solid185 單元 23鋼板 2 3818 Solid185 單元 23螺栓 - 彈簧單元 合計 7636 - 47字交叉模型鋁板 1 1936 Solid185 單元 8鋁板 2 1936 Solid185 單元 8螺栓 - 彈簧單元 1

研究對象如圖 2-2 所示。表 2-1 給出了三維模型的幾何尺寸，圖2-3 顯示了圖 2-2 劃分網格后的有限元模型。本文所有的有限元模型都是在 ANSYS 中完成建模的，在建模過程中，利用 8 節(jié)點的三維實體單元 Solid185 對薄板模型進行網格劃分，螺栓結合部的聯接則是利用彈簧單元建立，有限元模型的主要參數詳見表 2-2。表 2-1 模型的幾何尺寸Tab.2-1 The geometric size of model名稱 長(mm) 寬(mm) 高(mm)鋼板 1(2) 632 50 8鋼板搭接模型 1200 50 16鋁板 1(2) 1000 50 6鋁板十字交叉模型 1000 1000 12

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本文編號：2806410