栓接结合部动态特性建模研究

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随着制造业的不断发展,重型精密机床在生产中所占比重越来越大,机械加工对机床的加工效率和加工精度的要求也越来越高,机床的动态性能影响着制造业的发展和进步。栓接结合部是机床最为典型的一种结合连接形式,其各项参数和精度直接影响着机床的精度和性能。因此开展栓接结合部动态特性研究不仅可以为机床整体动态特性的研究提供理论和方法支持,更可以为提高国产机床精度和加工效率的研究指明方向,对提高国产机床品质,发展制造业具有重要的理论意义。  本文从微观角度出发,分析了结合面微观形貌,研究了结合面微观接触时的接触变形机理,结合现有经典接触模型,构建了新的考虑表层材料和下层材料不同的粗糙结合面单微凸体法向接触刚度模型以及总法向刚度模型,并通过有限元分析模拟结果验证新模型的准确性。本文具体的研究内容如下:  首先,分析了栓接结合面动态特性对于机床整体动态特性的重要意义,阐述了研究栓接结合面动态特性的必要性,对结合面微观形貌表征和结合面接触机理进行了简单介绍,结合经典的粗糙表面接触模型,提出了建立新模型的研究方法:从单个微凸体的接触入手研究,然后通过粗糙峰表面分布概率密度函数求出结合面整体刚度。  接着,基于赫兹接触理论,分析了表层材料不同的粗糙结合面接触过程中微凸体和基体的变形情况,提出了在弹性变形范围内利用总的形变量求导微凸体形变量和基体形变量的方法,采用耦合的方法建立了考虑基体变形对整体变形影响的法向接触刚度新模型。  然后,根据真实接触表面参数,利用有限元软件ABAQUS建立大量的有限元模拟模型,比较有限元仿真模拟结果与新模型、Hertz模型在参数相同情况下总体形变量与最大接触力的关系,验证了新模型的有效性以及新模型的有效性范围。通过验证得出:新模型在微凸体材料和基体材料弹性模量比值κ=0.6-0.9时,新模型比Hertz模型较能有效反映真实接触情况;当κ﹥1.25时,新模型和有限元仿真结果很接近,新模型比Hertz模型更有效,更准确。  最后,结合GW模型的统计学方法,假设粗糙表面微凸体峰高分布符合指数分布,通过新的单微凸体法向刚度接触模型推导出了结合面总的法向刚度模型,通过与现有实验数据的比较,证明了新的法向总刚度模型更加接近实验结果,证明新模型是准确有效的。
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