重型数控机床螺栓结合部动力学建模及影响因素研究

摘要

随着对制造先进机器所需的精密、复杂机床的需求日益增长，中国已经成长为全球最大的机床市场，重型数控机床作为机械工业不可缺少的装备，其性能的优劣直接影响我国工业发展的进程和制造的水平。重型数控机床的结合部对机床整机性能影响很大。其中，30％-50％的静刚度、超过50％的动刚度取决于结合部，而对阻尼的影响达到了90％甚至更多。但是结合面的接触变形比较复杂，在实际测量和建模中都不容易模拟其真实情况，寻求重型数控机床的整体性能就更为困难。因此，结合部的研究对重型数控机床的设计尤为重要。
　　本文首先调查了国内外有关对机床结合部建模的方法和机床结合部特性研究的状况，从赫兹接触理论出发，在微观层面上考虑机床结合面的接触形式，并由此将机床结合面视为一种虚拟介质进行仿真，建立结合部虚拟介质框架，利用赫兹接触理论推导出结合部任意一点的接触应力，计算该虚拟材料的特性参数，然后利用ANSYS Workbench求解结合部整体的固有频率，提取前五阶模态。
　　然后本文利用现有的实验模态技术，选择模态方案，通过对支撑方式、测试点、激励方式等方案的选取，得到结合部试件的测试信号，运用一定的参数识别方法求出试件固有频率和阻尼的真实值，之后跟理论得到的固有频率进行对比，同时，对得到两种固有频率进行拟合，证明理论模型建立是准确的，可以用在重型机床理论建模中，也说明了虚拟介质的推导公式可靠。
　　最后利用理论手段，通过修改动力学模型的参数尺寸等研究了螺栓预紧力、机床材料和加工方式影响机床结合部的相关因素，得到了机床结合部特性与规律。

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第1章 绪论

1.1课题来源

1.2课题的研究目的及意义

1.3结合面国内外研究现状

1.4论文主要研究内容

第2章 螺栓结合面虚拟介质参数识别

2.1重型数控机床结合面几何特性

2.2螺栓固定结合部建模方法分析

2.3螺栓结合部虚拟介质解析模型

2.4本章小结

第3章 机床螺栓结合部试验模态分析

3.1试验模态理论基础

3.2模态实验试件设计

3.3模态方案选择与分析

3.4实验仪器与设备

3.5实验结果与分析

3.6本章小结

第4章 机床螺栓结合部有限元仿真与试验验证

4.1理论模态分析技术

4.2螺栓结合部单元有限元模型的建立

4.3预应力分析及结果

4.4模态分析及结果

4.5仿真结果与试验结果验证

4.6本章小结

第5章 机床螺栓结合部影响因素分析

5.1螺栓预紧力对结合部影响

5.2机床材料对结合部影响

5.3加工表面粗糙度对结合部影响

5.4本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢