测试与CAE仿真相结合确定材料性能参数的方法

摘要

一种测试与CAE仿真相结合确定材料性能参数的方法，包括以下步骤：步骤A：用CAE软件对结构件进行模态分析，得到模态参数的仿真值；步骤B：建立与仿真边界条件一致的试验边界条件，对结构件进行测试，得到模态参数的测试值；以及步骤C：将该仿真值与测试值进行对比，以确定材料性能参数是否符合要求，是则仿真值即为结构件的性能参数，否则根据仿真优化求出结构件的性能参数。本发明的方法不但可以降低测试成本，提高测试效率，还可以控制最终零件的材料性能。

说明书

技术领域

本发明涉及结构件的测试方法，特别是涉及机械零件的材料性能参数的测试方法。

背景技术

机床所用的机械零件等加工件的加工精度，包括尺寸精度和形位精度，是保证机床性能的关键所在，这一点被人们所共识。然而，零件材料性能的差异性对机床性能，尤其是动态性能的影响，一般不被人们所重视。

实际，在工程界同种原材料的差异性是很大的，而诸如花岗石之类的天然材料以及通常采用的金属材料的差异性则尤其突出：经过热处理加工的金属材料有时性能会发生很大改变。对于高速机构精密机床来说，材料性能的差异性也是影响机床性能的重要因素。

为了确定材料性能参数，现有的一种常规方法是对加工材料作常规的检测与检验，其需要配置专业的工作人员及多种仪器设备，成本高昂，并且还只能够控制加工材料的性能参数，并不能控制最终零件的材料性能。现有的另一种常规方法是对加工好的机械零件进行实体的性能参数测试，由于需要制作样件并对样件造成破坏性，对于结构复杂、成本较高的情形，同样存在测试成本高昂的问题，并且这种测试方法，其效率也较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，而提出一种新的确定材料性能参数的方法，不但可以降低测试成本，提高测试效率，并且可以控制最终零件的材料性能。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括，提出一种测试与CAE仿真相结合确定材料性能参数的方法，包括以下步骤：

步骤A：用CAE软件对结构件进行模态分析，得到模态参数的仿真值；

步骤B：建立与仿真边界条件一致的试验边界条件，对结构件进行测试，得到模态参数的测试值；以及

步骤C：将该仿真值与测试值进行对比，以确定材料性能参数是否符合要求，是则仿真值即为结构件的性能参数，否则根据仿真优化求出结构件的性能参数。

步骤A中所述的模态分析是针对该结构件的一个三维实体模型进行的；步骤B中所述的对结构件进行测试是利用一个三维试验模型对该结构件进行测试的。

该步骤A具体包括：

在CAE软件中构建一个三维实体模型；

仿真计算该三维实体模型的模态参数的仿真值。

所述的在CAE软件中构建一个三维实体模型具体包括：

在CAD软件建立结构件的三维实体模型；

将该三维实体模型转换导入CAE软件中。

在仿真计算三维实体模型的模态参数的仿真值之前，还包括，针对该三维实体模型进行模态仿真步骤的设置，该设置包括：定义材料参数属性、创建实体、定义分析步、添加边界条件、网格划分和提交分析。

该步骤B具体包括：

建立该结构件的一个三维试验模型；

利用该三维试验模型对该结构件进行测试，得到模态参数的测试值。

所述的建立该结构件的一个三维试验模型的过程具体包括：在该结构件上选取合适的激励方式和布置合适的响应点，根据该结构件的形状和布置的响应点，在软件中通过输入坐标的形式建立该三维试验模型，以大概描绘出该结构件的轮廓。

所述的利用该三维试验模型对该结构件进行测试的过程具体包括：在该结构件上的测试点的位置要与建立的该三维试验模型上的点对应，测试的方向也要与该三维试验模型在软件中坐标系的方向一致。

所述的利用该三维试验模型对该结构件进行测试具体包括：

建立与仿真边界条件一致的试验边界条件，用力锤激励，采用固定激励点，移动测试点的方法来进行测试；对各测试点的测试内容为激励和振动加速度响应，利用模态参数估计的方法得出模态参数的测试值。

所述步骤C中的将该仿真值与测试值进行对比的过程具体包括：

将仿真与测试的结构件的固有频率和模态振型对比。

与现有技术相比，本发明的测试与CAE仿真相结合确定材料性能参数的方法，通过软件仿真得到模态参数的仿真值，通过对结构件进行测试得到模态参数的测试值，并通过将两组值进行比较来确定材料性能参数，不但可以降低测试成本，提高测试效率，还可以控制最终零件的材料性能。

附图说明

图1为本发明的测试与CAE仿真相结合确定材料性能参数的方法的工作原理。

图2为本发明方法实施例的加工件及其简化模型的结构对照。

图3为本发明方法实施例的流程示意。

图4为本发明方法实施例的测试与仿真结构的比对。

具体实施方式

以下以PCB钻机加工轴的底板(称为Z轴底板)作为结构件的例子，结合附图所示之最佳实施例作进一步详述。

如图1所示的本发明的测试与CAE仿真相结合确定材料性能参数的方法的工作原理是：用有限元软件对结构件的3D模型进行自由模态分析，得到模态参数的仿真值；用振动测试仪对结构件的实体进行测试并进行模态分析，得到模态参数的测试值；将该仿真值与测试值进行对比分析。

为了提高测试效率，上述的测试，是采用一个三维试验模型来辅助对结构件的测试的。参见图2可知，该三维试验模型较结构件的结构要简化很多。该三维试验模型的建立过程大致包括：首先在实体上选取合适的激励方式和布置合适的响应点，然后根据实体的形状和我们布置的响应点在软件中通过输入坐标的形式建立三维试验模型，大概描绘出实体的轮廓。采用该三维试验模型辅助该结构件的测试时，在该结构件上测试点的位置要与建立的三维试验模型的点对应，测试的方向也要与三维试验模型在软件中坐标系的方向一致，换句话说就是建立三维试验模型后，根据模型上点的位置及其在软件中坐标系的方向，在该结构件上测试相对应的点及其方向。

本发明的发明方法实施例的流程示意，如图3所示。大致包括：

选取待分析/测试的结构件，在CAD软件Solidworks中建立其三维实体模型，其建模形状如图1中位于上方的零件图所示，然后将三维实体模型转换导入到CAE软件Abaqus有限元中，在定义材料参数，定义截面属性、设置分析步、添加边界条件、网格划分、提交分析、后处理等之后，进行自由模态仿真，得到了自由模态参数，也就是得到一组模态参数的仿真值；

对结构件进行试验模态分析，针对结构件，利用LMS公司的Test.Lab软件的Geometry模块得到结构件的三维试验模型的设计，并根据该设计构建出一实体的三维试验模型。与仿真边界条件一致，用柔性悬挂支撑，用力锤激励，采用固定激励点，移动测试点的方法来进行测试。利用Test.Lab软件的ImpactTesting模块进行锤击模态试验，按照建立的三维试验模型逐点测试其振动加速度响应，通过振动测试仪和加速度传感器等测试工具得到各点的频率响应函数函数。然后，利用Modal Analysis模块的PolymMAX技术，提取各阶模态，得到模态频率和模态振型。再用Modal Validation模块来对测试结果进行模态模型验证，确保测试结果的准确性；

将测试结果与仿真结果对比分析，判断材料性能是否符合要求。

参见图4所列出的一种测试情形可知，结构件测试与仿真的固有频率和模态振型均很相似，相互之间的差异较小，可认为符合材料性能的要求，不用进行仿真优化，仿真的材料性能参数为结构件真实的材料参数。

与现有技术相比，本发明的测试与CAE仿真相结合确定材料性能参数的方法，将仿真与试验相结合，不仅成本较低，而且容易做到揭示问题的本质规律；采用模态测试与模态仿真相结合的方法能够准确判定零件材料的性能差异，主要包括：材料弹性模量、泊松比、能量耗散能力阻尼值、零件结构固有频率等；具有不破坏零件，不需要制作样件，能够监控零件本身的加工过程问题以及测试效率高等优点。