螺栓结合部接触区域非线性动态特征的凝聚建模方法

摘要

随着航空航天、微纳制造及半导体制造等工业生产的不断发展，对高速超精密制造机床的需求正在急剧地提升。然而，由于精密机床结构的复杂性，特别是机床结合部的多样性，致使传统机床虚拟样机的设计理论、性能预测及优化计算方法已经很难满足实际的需求。在机床结合部中，螺栓联接结合部是机床装配过程中最常见且使用最多的类型之一。但到目前为止，人们采用了包括将螺栓结合部简化为解析或数值形式的Iwan模型以及等效层等多种方法，却仍未构建出能准确地描述螺栓结合部动态特征的方法。那么，如何在保证设计所需精度的条件下，更加高效地预测出螺栓结合部的动态特征就成为机床虚拟样机设计中急需解决的关键问题。因此，在前人的研究基础上，本文提出了一种新型螺栓结合部接触区域非线性动态特征的建模方法，以期为高效、精准地预测螺栓联接结构体的动态特征与性能评价奠定基础。 为研究螺栓联接非线性接触力对结合部动态特征的影响，基于组件模态综合技术将螺栓联接模型划分为两个子结构模型，并依据模型几何尺寸和标准材料参数建立起子结构的有限元模型。针对材料参数的不确定性，利用多目标遗传算法(MOGA)优化材料参数，确保子结构模型的准确性，从而为精准地构建螺栓联接模型奠定基础。 利用混合模态坐标缩减技术，将螺栓联接模型中线性自由度的特征模态进行高阶截断，而接触区域可表征非线性动态特性的物理自由度则被全部保留。以此为基础，依据推导获得的混合模态坐标缩减变换矩阵，构建出混合模态坐标条件下子结构的缩减模型，进而在保证计算精度的前提下可大大提升计算与分析的效率。 为了便于螺栓结合部非线性动态特征的求解，通过引入可等效表征非线性特征的接触耦合凝聚点，利用坐标变换将接触区域耦合面的非线性接触力凝聚到该作用点上，从而在保证计算精度的前提下有效降低非线性耦合结合部求解的自由度数，节约了计算资源。通过理论计算的频率响应与模态实验对比，验证了螺栓结合部接触区域非线性动态特征凝聚建模方法的有效性与可行性，这将为精准、高效地预测机床虚拟样机的动态特征与性能评价奠定基础。

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