重型數控機床的加工能力是一個國家工業(yè)水平和綜合實力的重要體現(xiàn),反映機床加工能力的關鍵因素是加工精度。龍門結構和機床底座等機床結構件在加工過程中的力、熱變形是影響加工精度的主要因素。因此,研究結構件變形的實時監(jiān)測與在線補償對于提高重型數控機床的加工精度具有重要意義。重型數控機床結構件形狀不規(guī)則,相互作用較多,受載信息獲取困難,普通變形測量方法難以滿足機床結構件的變形監(jiān)測。本文基于逆有限元法（iFEM）對龍門結構和機床底座的位移場進行變形重構。逆有限元法通過應變矩陣建立單元節(jié)點自由度與分析應變之間的關系,構建分析應變與實驗應變的誤差最小二乘函數,利用求解誤差函數的極小值獲得節(jié)點自由度,采用形函數插值得出結構件的位移場。逆有限元法能夠在受載信息未知的情況下,以被測結構表面較少的應變數據作為輸入,輸出結構的位移場,在形狀復雜、受載未知的結構變形監(jiān)測方面具有很大優(yōu)勢。本文的主要研究成果如下:（1）對龍門結構和機床底座進行了結構簡化和受載情況分析。根據簡化模型,利用梁單元和板單元對結構件進行網格劃分和節(jié)點編號,編寫了逆有限元算法。并且根據結構件的布點要求對逆有限元法進行了改進,實現(xiàn)了單元單側布點。... 

【文章來源】：武漢理工大學湖北省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數】：80 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

通用車床主軸軸向誤差激光干涉法測量裝置[8]

變形較大的厚板，對于解決復合材料和非線性材料的變形問題有很大幫助[21]。1990年，TesslerA等人提出了一種三節(jié)點等曲率殼單元，這種單元利用剪切懲罰參數和邊界約束的等參插值結合，避免了殼單元出現(xiàn)剪切鎖定和單元鎖定問題，并且通過對于鎖定敏感的單曲和雙曲薄殼問題實例，驗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個自由度，能夠根據結構表面的平面應變信息，重構板結構的拉伸和彎曲耦合變形，文章還闡述了這種單元的應用場合以及應用效果[23]。圖1-2逆有限元法監(jiān)測機翼變形實驗平臺[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。首先根據前面研究得出的位移函數，構造三角單元的形函數，采用雙面粘貼應變測量裝置的方法，將拉伸應變和彎曲應變進行解耦，通過最小二乘法構建逆有限元分析應變與應變傳感器所測應變之間的誤差關系，得出單元節(jié)點自由度。通過數值仿真實驗證明，這種方法能夠有效精確地重構結構位移場[24]。2005年QuachCC等人提出了利用逆有限元法實時監(jiān)測飛機機翼變形。如圖1-2所示，將機翼簡化為一個豎直放置的懸臂板，懸臂板的一面粘貼FBG測量應變，另一面利用位移傳感器測量懸臂板的位移，通過對比逆有限元法的重構位移和位移傳感器所測得的位移，驗證了逆有限元法在監(jiān)測機翼變形時的準確性與可靠性[25]。同年，TesslerA等人構建了四邊形殼單元，通過加載系數未知的三角函數力載荷，分別使用有限元法和逆有限元法重構單元變形，最后得出兩者位移

曲變形重構[30]。逆有限元法可以應用于桁架靜態(tài)變形[31]和動態(tài)模態(tài)[32]的實時監(jiān)測，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，構建了一種適用于梁單元的位移函數，這種位移函數的每個節(jié)點包含六個自由度，通過逆有限元重構算法建立節(jié)點自由度與靜態(tài)應變和動態(tài)應變的關系，利用最小二乘法求解結構位移常在逆有限元法監(jiān)測動態(tài)應變方面，XuegangSong等人以逆有限元法重構的靜態(tài)位移場為基礎，構建二階動力學方程，將靜態(tài)位移帶入動力學方程中，然后應用卡爾曼濾波去除振動噪聲的影響。如圖1-3所示，經過試驗驗證，逆有限元法與卡爾曼濾波結合能夠很好地預測梁結構的模態(tài)。圖1-3逆有限元法在動態(tài)變形監(jiān)測的應用結果[32]隨著復合材料的快速發(fā)展，逆有限元法也被應用到復合材料和夾層結構的

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
[1]基于FBG的重型數控機床龍門結構的變形檢測及重構算法研究[D]. 胡娜.武漢理工大學 2017
[2]用于結構位移場重構的逆有限元法研究[D]. 蔡鵬越.南京航空航天大學 2016
[3]高速鐵路連續(xù)彎梁橋光纖光柵結構監(jiān)測技術研究[D]. 王琴.武漢理工大學 2013



本文編號：3092828