重型數(shù)控機(jī)床的加工能力是一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平和綜合實(shí)力的重要體現(xiàn),反映機(jī)床加工能力的關(guān)鍵因素是加工精度。龍門結(jié)構(gòu)和機(jī)床底座等機(jī)床結(jié)構(gòu)件在加工過(guò)程中的力、熱變形是影響加工精度的主要因素。因此,研究結(jié)構(gòu)件變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與在線補(bǔ)償對(duì)于提高重型數(shù)控機(jī)床的加工精度具有重要意義。重型數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)件形狀不規(guī)則,相互作用較多,受載信息獲取困難,普通變形測(cè)量方法難以滿足機(jī)床結(jié)構(gòu)件的變形監(jiān)測(cè)。本文基于逆有限元法（iFEM）對(duì)龍門結(jié)構(gòu)和機(jī)床底座的位移場(chǎng)進(jìn)行變形重構(gòu)。逆有限元法通過(guò)應(yīng)變矩陣建立單元節(jié)點(diǎn)自由度與分析應(yīng)變之間的關(guān)系,構(gòu)建分析應(yīng)變與實(shí)驗(yàn)應(yīng)變的誤差最小二乘函數(shù),利用求解誤差函數(shù)的極小值獲得節(jié)點(diǎn)自由度,采用形函數(shù)插值得出結(jié)構(gòu)件的位移場(chǎng)。逆有限元法能夠在受載信息未知的情況下,以被測(cè)結(jié)構(gòu)表面較少的應(yīng)變數(shù)據(jù)作為輸入,輸出結(jié)構(gòu)的位移場(chǎng),在形狀復(fù)雜、受載未知的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)方面具有很大優(yōu)勢(shì)。本文的主要研究成果如下:（1）對(duì)龍門結(jié)構(gòu)和機(jī)床底座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和受載情況分析。根據(jù)簡(jiǎn)化模型,利用梁?jiǎn)卧桶鍐卧獙?duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和節(jié)點(diǎn)編號(hào),編寫了逆有限元算法。并且根據(jù)結(jié)構(gòu)件的布點(diǎn)要求對(duì)逆有限元法進(jìn)行了改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了單元單側(cè)布點(diǎn)。... 

【文章來(lái)源】：武漢理工大學(xué)湖北省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：80 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

通用車床主軸軸向誤差激光干涉法測(cè)量裝置[8]

變形較大的厚板，對(duì)于解決復(fù)合材料和非線性材料的變形問(wèn)題有很大幫助[21]。1990年，TesslerA等人提出了一種三節(jié)點(diǎn)等曲率殼單元，這種單元利用剪切懲罰參數(shù)和邊界約束的等參插值結(jié)合，避免了殼單元出現(xiàn)剪切鎖定和單元鎖定問(wèn)題，并且通過(guò)對(duì)于鎖定敏感的單曲和雙曲薄殼問(wèn)題實(shí)例，驗(yàn)證了這種單元的建模能力[22]。1994年CookRD提出了一種綜合拉伸和彎曲變形的四邊形殼單元。這種單元具有24個(gè)自由度，能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)表面的平面應(yīng)變信息，重構(gòu)板結(jié)構(gòu)的拉伸和彎曲耦合變形，文章還闡述了這種單元的應(yīng)用場(chǎng)合以及應(yīng)用效果[23]。圖1-2逆有限元法監(jiān)測(cè)機(jī)翼變形實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[25]單元插值理論提出后，2003年TesslerA等人首次提出逆有限元法的概念和理論。首先根據(jù)前面研究得出的位移函數(shù)，構(gòu)造三角單元的形函數(shù)，采用雙面粘貼應(yīng)變測(cè)量裝置的方法，將拉伸應(yīng)變和彎曲應(yīng)變進(jìn)行解耦，通過(guò)最小二乘法構(gòu)建逆有限元分析應(yīng)變與應(yīng)變傳感器所測(cè)應(yīng)變之間的誤差關(guān)系，得出單元節(jié)點(diǎn)自由度。通過(guò)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)證明，這種方法能夠有效精確地重構(gòu)結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)[24]。2005年QuachCC等人提出了利用逆有限元法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛機(jī)機(jī)翼變形。如圖1-2所示，將機(jī)翼簡(jiǎn)化為一個(gè)豎直放置的懸臂板，懸臂板的一面粘貼FBG測(cè)量應(yīng)變，另一面利用位移傳感器測(cè)量懸臂板的位移，通過(guò)對(duì)比逆有限元法的重構(gòu)位移和位移傳感器所測(cè)得的位移，驗(yàn)證了逆有限元法在監(jiān)測(cè)機(jī)翼變形時(shí)的準(zhǔn)確性與可靠性[25]。同年，TesslerA等人構(gòu)建了四邊形殼單元，通過(guò)加載系數(shù)未知的三角函數(shù)力載荷，分別使用有限元法和逆有限元法重構(gòu)單元變形，最后得出兩者位移

曲變形重構(gòu)[30]。逆有限元法可以應(yīng)用于桁架靜態(tài)變形[31]和動(dòng)態(tài)模態(tài)[32]的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，MarcoGherlone等人基于單元截面在發(fā)生變形后保持平整且垂直于中性軸的假設(shè)，構(gòu)建了一種適用于梁?jiǎn)卧奈灰坪瘮?shù)，這種位移函數(shù)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含六個(gè)自由度，通過(guò)逆有限元重構(gòu)算法建立節(jié)點(diǎn)自由度與靜態(tài)應(yīng)變和動(dòng)態(tài)應(yīng)變的關(guān)系，利用最小二乘法求解結(jié)構(gòu)位移常在逆有限元法監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變方面，XuegangSong等人以逆有限元法重構(gòu)的靜態(tài)位移場(chǎng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建二階動(dòng)力學(xué)方程，將靜態(tài)位移帶入動(dòng)力學(xué)方程中，然后應(yīng)用卡爾曼濾波去除振動(dòng)噪聲的影響。如圖1-3所示，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，逆有限元法與卡爾曼濾波結(jié)合能夠很好地預(yù)測(cè)梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)。圖1-3逆有限元法在動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用結(jié)果[32]隨著復(fù)合材料的快速發(fā)展，逆有限元法也被應(yīng)用到復(fù)合材料和夾層結(jié)構(gòu)的

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]型鋼混凝土機(jī)床底座受力性能分析與加固處理[J]. 王景玄,王文達(dá),石曉飛,賈亮.  工程抗震與加固改造. 2016(01)
[2]受彎件上粘貼型光纖布拉格光柵的應(yīng)變傳遞規(guī)律[J]. 李天梁,譚躍剛,張翔,魏來(lái),董艷方.  光學(xué)精密工程. 2015(05)
[3]金屬直接連接的布拉格光纖光柵應(yīng)變測(cè)量方法[J]. 吳俊,陳偉民,章鵬,劉立,劉浩.  儀器儀表學(xué)報(bào). 2012(12)
[4]龍門數(shù)控機(jī)床主軸熱誤差及其改善措施[J]. 仇健,劉春時(shí),劉啟偉,林劍峰.  機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2012(21)
[5]數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r[J]. 傅建中,姚鑫驊,賀永,沈洪垚.  航空制造技術(shù). 2010(04)
[6]柔性曲面變形檢測(cè)的FBG方法[J]. 樊紅朝,張震,朱曉錦.  機(jī)電工程. 2009(03)
[7]數(shù)控機(jī)床的精度與溫度[J]. 俞圣梅,吳梅英.  世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng). 2009(01)
[8]數(shù)控機(jī)床主軸熱誤差測(cè)溫優(yōu)化布點(diǎn)方案的研究[J]. 曹永潔,傅建中.  組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù). 2007(01)
[9]改進(jìn)型逆有限元法在某轎車翼子板快速成形模擬中的應(yīng)用[J]. 閆亞坤,莊蔚敏,那景新.  塑性工程學(xué)報(bào). 2006(01)
[10]改進(jìn)型逆有限元法在彎曲成形模擬中的應(yīng)用[J]. 那景新,焦健,閆亞坤,胡平.  機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2004(11)

博士論文
[1]基于FBG傳感陣列的智能結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與主動(dòng)監(jiān)測(cè)研究[D]. 易金聰.上海大學(xué) 2014
[2]數(shù)控機(jī)床誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)及應(yīng)用[D]. 楊建國(guó).上海交通大學(xué) 1998

碩士論文
[1]基于FBG的重型數(shù)控機(jī)床龍門結(jié)構(gòu)的變形檢測(cè)及重構(gòu)算法研究[D]. 胡娜.武漢理工大學(xué) 2017
[2]用于結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)重構(gòu)的逆有限元法研究[D]. 蔡鵬越.南京航空航天大學(xué) 2016
[3]高速鐵路連續(xù)彎梁橋光纖光柵結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D]. 王琴.武漢理工大學(xué) 2013



本文編號(hào)：3092828