结合面接触刚度分形模型研究

指出了以往有关粗糙表面接触刚度理论研究工作的缺陷与不足,在一定的前提下,基于球体与平面的接触理论和粗糙表面的接触分形理论,同了具有尺度独立性的结合面接触刚度分形模型,并进行了数字仿真研究,仿真结果与实验研究结果相一致。     

固定结合面刚度分形模型

基于粗糙表面统计学参数与表面轮廓分形参数之间的关系,给出了结合面等效粗糙表面轮廓分形参数的计算方法;在此基础上,提出了结合面切向接触刚度的修正分形模型;为验证模型的正确有效性,将固定结合面等效为若干个法向和切向接触弹簧单元,其刚度通过相应的接触刚度模型进行计算,进而对文献[9]的结合面实验装置——哑铃模型进行了有限元建模及模态分析,间接证明了接触刚度的正确有效性,并探讨了等效接触弹簧单元的刚度、数量对有限元建模精度的影响.此外,对文献[8]的实验模型进行了有限元建模及谐响应分析,并对实验模型的实测、柔性连接仿真与刚性连接仿真频响曲线进行了对比,进一步证实了在仿真建模过程中考虑结合面接触刚度的必要性.     

基于分形理论的结合面改进接触模型

提出了一种基于分形理论的结合面改进接触模型,并通过对所建模型的仿真,直观地揭示了结合面法向接触刚度与结合面法向载荷、结合面分形维数D、结合面分形特征尺度参数G之间复杂的非线性关系.仿真结果表明,法向接触刚度随着法向载荷增大而增大,随着G的增大而减小,随着D的变化规律比较复杂,同时表明该模型可以用于结合面法向接触载荷和法向接触刚度的分析与计算.     

结合面法向接触刚度分形模型建立与仿

基于接触分形理论和微接触大小分布函数,建立了计及微接触大小分布的域扩展因子影响的结合面法向接触刚度的分形模型,并通过对所建模型的数字仿真,直观地揭示了结合面法向接触刚度与结合面诸参数之间的非线性关系,探讨了这些相关参数对法向接触刚度的影响规律.研究仿真结果表明,结合面法向接触刚度随着结合面法向载荷的增大而增大,随结合面分形特征长度尺度参数的增大而减小,但随结合面分形维数的变化规律比较复杂.     

2-UPR-PRU并联机构静刚度模型建立与性能分析

针对2-UPR-PRU两转一移三自由度并联机构,采用螺旋理论和应变能方法对其进行系统的静刚度模型建立与性能分析。基于闭环矢量法建立2-UPR-PRU并联机构的运动学逆解模型。考虑分支杆件的柔性,采用螺旋理论和应变能方法推导2-UPR-PRU并联机构各分支的刚度矩阵,结合变形协调方程构建2-UPR-PRU并联机构的整体刚度矩阵,得到外载作用下机构在不同位型的变形情况和整体柔度矩阵,并通过ANSYS软件进行数值仿真验证。基于静刚度模型分析2-UPR-PRU并联机构的虚功刚度指标,获得2-UPR-PRU并联机构在不同外载和操作高度情况下的静刚度性能分布图谱。研究结果对于设计样机、提高机构的控制精度方面有重要的参考价值。     

结合面切向接触刚度分形模型建立与仿真

基于接触分形理论和微接触面积分布函数,建立了计及微接触面积分布的域扩展因子影响的结合面切向接触刚度分形模型,并通过数字仿真直观揭示了结合面切向接触刚度与结合面诸参数之间的非线性关系以及这些相关参数对切向接触刚度的影响规律.仿真研究结果表明,结合面切向接触刚度随着结合面法向载荷的增大而增大,随结合面切向载荷的增大而减小,随结合面分形特征长度尺度参数的增大而减小,但随结合面分形维数的变化规律比较复杂.     

齿轮结合面切向接触刚度分形计算模型研究

在机械结合面切向接触刚度分形模型的基础上,结合两圆柱体接触强度分形模型,建立了齿轮结合面的切向接触刚度分形计算模型。该模型综合考虑齿轮接触面的微观特性和宏观特性,其计算结果与测量仪器的分辨率无关,具有尺度独立性。仿真结果显示：齿轮结合面的切向接触刚度与分形维数、材料的特性参数、齿轮的齿数成正比,与粗糙度幅值成反比。     

基于各向异性分形理论的结合面切向刚度改进模型

基于各向异性分形几何理论,建立了一种结合面切向接触刚度改进模型.通过对所建模型的数字仿真,直观地揭示了结合面切向接触刚度与结合面法向载荷、切向载荷、结合面分形维数D、结合面分形粗糙度G、相关因子K、材料特性(o)之间复杂的非线性关系.数字仿真结果表明:结合面切向接触刚度随着法向载荷、相关因子或材料特性的增加而增加,但随着切向载荷、分形粗糙度的增加而减小;当分形维数较小时,结合面切向接触刚度随着分形维数的增加而增加;当分形维数较大时,结合面切向接触刚度随着分形维数的增加而减小.     

基于离散元法的川产法半夏仿真参数标定

为提高法半夏离散元粉碎仿真试验的准确性,结合台架试验与仿真试验对四川产法制旱半夏的仿真参数进行标定。基于多球聚合模型构建半夏的离散元模型,采用弹跳试验标定半夏-不锈钢碰撞恢复系数;分别开展斜面滑移试验和斜坡滚动试验,通过二次多项式拟合得到半夏-不锈钢的静摩擦系数与滚动摩擦系数。基于半夏的堆积试验及仿真数据,采用响应面法构建半夏间接触参数与堆积角相对误差的多元回归模型。以堆积角相对误差最小为优化目标,采用萤火虫算法进行寻优,并与遗传算法、响应面优化寻优结果进行对比,获得半夏之间最佳碰撞恢复系数、静摩擦系数与滚动摩擦系数组合。采用侧壁坍塌试验进行接触参数准确性验证。通过上述方法得到半夏-不锈钢的碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为：0.567、0.649和0.103;半夏间的碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为：0.584、0.293和0.084。验证试验的结果表明,5次仿真试验休止角相对误差均小于5%,表明该半夏离散元模型及接触参数可为半夏的离散元仿真分析提供参考。     

车床静刚度测量系统试验研究与优化设计

为有效抑制外界振动对三向静刚度仪测量结果的影响,提高三向静刚度仪固有响应频率,提出了基于Hyper Morph形状优化的三向静刚度仪设计方法。以一阶固有频率最大化为目标优化函数,构建三向静刚度仪形状优化模型,通过LabVIEW虚拟技术,利用优化后的三向静刚度仪对车床静刚度进行系统检测,前6阶振动固有频率和LabVIEW软件系统测量表明:优化后的三向静刚度仪的一阶固有频率较优化前明显提高,具有较好的振动抑制性能,且优化后的三向静刚度仪测量更精确。该方法对抗外界扰动的工程结构设计具有实际意义,且利用LabVIEW虚拟技术能够提高实验测试的自动化程度和测试效率。      

基于虚关节法的3T1R混联机构静刚度特性分析

基于虚关节法和构件有限元分析建立了考虑驱动副、滚珠丝杆副、线性导轨和运动杆件弹性变形的3T1R混联机构静刚度矩阵模型。通过在构件末端添加多自由度虚拟关节的方式来等效构件的弹性,将支链等效为一系列刚性构件,通过主动副、被动副以及虚拟关节连接的形式,给出了运动关节和虚拟关节变量对机构末端位姿的映射,应用虚功原理得到机构静平衡方程,推导了机构在一定外载下的刚度矩阵模型,采用无量纲变换法定义了局部线刚度和角刚度评价指标与全局线刚度和角刚度评价指标,据此分析了混联机构在典型位姿和工作空间域内的静刚度性能,并利用有限元仿真验证了刚度模型的准确性。结果表明,所建半解析刚度模型具有较高的精度;机构z向线刚度在工作空间内关于x=y轴线对称分布;机构x向、y向的线刚度沿x轴、y轴方向不变,具有解耦性;机构线刚度远大于角刚度。     

双螺母滚珠丝杠副导程误差与摩擦力矩关系研究

为了准确计算双螺母滚珠丝杠副的摩擦力矩,基于载荷和变形协调理论,分析了导程误差对载荷分布不均匀程度的影响,结合预紧力和滚珠形变提出双螺母滚珠丝杠副导程误差与摩擦力矩的关系模型。利用行程误差试验台测量不同精度等级丝杠的导程误差,并将各丝杠分别匹配同一套螺母、垫片、滚珠，组成丝杠副,测量滚珠丝杠副的摩擦力矩。结果表明,在考虑滚珠丝杠导程误差和滚珠载荷分布不均的情况下,导程误差与摩擦力矩呈线性关系,不同精度等级丝杠对应的摩擦力矩计算结果与试验值的相对误差为0~8.79%,均小于文献\[6\]模型的计算结果,从而验证了本文模型的有效性。     

基于初参数法的丝杠轴向支撑刚度辨识方法

针对丝杠轴向支撑刚度辨识问题,基于初参数解析方法建立丝杠的初参数矩阵方程,使用边界条件和内力平衡条件,求出矩阵方程中的初参数值.利用初参数值,建立丝杠两端支撑处和螺母处的轴向刚度辨识模型.测量丝杠振幅、简谐力幅值与频率、左轴承组右端面与螺母中间位置点的间距以及螺母中间位置点与右轴承组左端面的间距等参数,识别丝杠支撑点轴向刚度.实验研究表明:基于初参数解析方法建立的丝杠支撑点轴向刚度辨识模型简单,具有可行性.     

基于结合部动力学特性的立柱-主轴系统动力学模型研究

针对某卧式加工中心动力学特性分析的需要,论述了主要影响其动力学特性的立柱-主轴系统中导轨结合部、螺栓结合部、滚珠丝杠结合部以及轴承4类结合面分布情况,提出各类结合部动力学参数提取方法与有限元建模方法.通过试验测试与有限元分析相结合的手段识别导轨结合部刚度与阻尼,利用赫兹接触理论计算出滚珠丝杠接触刚度.在此基础上,建立了某卧式加工中心立柱-主轴系统有限元分析模型,通过测试立柱-主轴系统轴端频率响应函数验证了该有限元分析模型的准确性,并分析得出了该立柱-主轴系统导轨结合部对系统动态性能的影响情况.     

基于综合指标的机床滚珠丝杠进给系统动态性能优化

建立了滚珠丝杠进给系统理论动力学模型并对其响应传函特性进行分析,构建了基于数字化模块仿真的滚珠丝杠进给驱动系统集成模型,提出了基于扩缩式控制优化模型的滚珠丝杠进给驱动动态性能优化方法,构建面向综合指标评价的可扩缩式动态性能指标评价函数,根据动态性能优化要求实时建立动态性能综合评价指标函数,通过运动路径规划定义,借助遗传优化算法,实现面向可扩缩式综合指标评价的滚珠丝杠进给驱动系统动态性能优化。通过实验测试与实例分析,验证了前述滚珠丝杠进给系统理论动力学建模、基于数字化模块仿真的滚珠丝杠进给驱动系统集成模型、基于扩缩式控制优化模型的滚珠丝杠进给驱动动态性能优化方法的正确性。     

滚珠丝杠进给系统动态特性集中质量建模与仿真

为了研究高速滚珠丝杠进给系统的动态特性,提出一种改进的集中质量建模方法,该方法考虑了滚珠丝杠进给系统基座的质量、柔性及进给系统部件间反向间隙对系统动态特性的影响,并完善了滚珠丝杠进给系统集中质量模型等效参数的计算方法。以MAG某加工中心X轴滚珠丝杠进给系统为实验对象,对该集中质量模型建模方法进行实验验证,仿真结果与实测结果具有相同数量的特征频率,且特征频率的误差在5%以内。滚珠丝杠进给系统的仿真分析表明,螺母位置改变引起的进给系统固有频率变化将影响伺服系统的稳定性,滚珠丝杠进给系统中的反向间隙会激励部件产生高频振动,给进给系统带来不利影响。     

考虑摩擦和间隙的柔性滚珠丝杠进给系统建模与分析

为了研究高速滚珠丝杠进给伺服系统的动态特性,提出了一种建立进给系统机械子系统振动模型的混合建模方法,采用带有轴向和扭转自由度的欧拉-伯努利梁单元描述丝杠的轴向、扭转和弯曲振动,采用集中参数方法描述交流伺服驱动子系统和进给系统的其余部件,建立了包含摩擦、间隙非线性因素及外切削力干扰的柔性进给系统模型。实验证明了混合模型能够较准确反映机械系统的振动特性。在此基础上,数值仿真分析表明,低速运动中摩擦和间隙非线性会导致进给系统产生较大的速度波动,在高速运动中机械系统的轴向和扭转振动会导致进给系统不稳定。     

基于ANSYS的悬挂式挖坑机钻头静力学分析

利用参数化造型软件PRO/ENGINEER建立了一种悬挂式挖坑机钻头的三维实体模型,并将该模型导入ANSYS中对叶片进行有限元静力分析,得到了其应力分布规律和变形情况。分析时,采用8节点六面体单元进行网格划分,结果表明能够有效保证求解精度,使结果更加接近实际。另外,通过改变叶片结构参数,得到了螺旋升角与叶片强度变化的关系,为植树挖坑机钻头的设计和结构优化提供了理论依据。     

单介质螺旋离心泵能量转换机理

为了研究螺旋离心泵叶轮各段做功能力和能量转换机理,从理论上分析了流体机械内部的流体流动情况,应用欧拉方程,将流体在叶轮中的能量分为动压头和静压头来处理,为采用数值模拟来研究螺旋离心泵内部流动和叶轮各段的做功能力提供了理论基础.在欧拉方程的基础上,采用Navier-Stokes方程和标准的k-ε湍流模型对螺旋离心泵内部流场进行数值模拟计算.通过模拟具体探讨了设计工况下,选取单介质为清水,在叶轮的作用下流场的速度、压力等变化规律,并将螺旋离心泵叶轮的轮缘线和轮毂线分段取监测点,从所取监测点之间各段的动压头和静压头变化来研究螺旋离心泵内的能量沿叶轮包角的转换能力.结果表明:螺旋离心泵流体的能量主要是由螺旋段提供的,叶轮前部螺旋段起到了多级加能的作用,叶轮使流体完成了从轴向至径向的过渡,液流的轴向速度由大变小,径向速度则相反.     

3-RHUR/PUS+PP混联机器人构型与性能分析

为提升串并混联机器人大行程刚度与综合性能,提出一种带随动滑筒的3-RHUR/PUS三自由度并联头串联XY双导轨的混联五自由度机器人构型。根据非线性约束方程组给出其位置正反解,并基于螺旋理论建立了串并混联的正逆运动学映射关系,基于建立的混联机器人的柔度模型讨论了其方向刚度;综合考虑机器人的转动能力、力传递性能、速度和刚度性能,在利用线性加权法对机器人进行多目标优化的基础上,提出最优拉丁超立方采样（Optimal Latin hypercube sampling, OptLHS）与插值相结合的优化算法,从而缩短了优化计算所需时间,得到了机器人最优尺寸参数。