基于等效横观各向同性虚拟材料的固定结合部建模方法
发布时间：2020-07-28 22:00
【摘要】：为提高固定结合部的建模精度以及通用性,考虑固定结合部在法向和切向的不同特性,提出利用横观各向同性虚拟材料等效的固定结合部动力学参数化建模方法,将固定结合部两接触面的微观接触部分等效为一种等截面的横观各向同性虚拟材料,等效虚拟材料与两侧零件均为固定连接。基于接触分形理论和固定结合部接触刚度分形模型,根据横观各向同性材料弹性常数的定义,理论推导了等效虚拟材料弹性常数以及密度的理论计算模型。在此基础上,对具有固定结合部的试验模型进行了有限元建模与模态分析,进而将理论分析模态与试验模态进行比较,结果表明:试验模型的理论模态与实验模态的前6阶振型完全一致,相应固有频率的相对误差的绝对值在10%以内,说明了建模方法的正确有效性,为数控机床固定结合部动力学建模提供了一种新的方法,实现了固定结合部动力学建模与有限元分析软件的无缝衔接集成。
【图文】：
等效建模方法，根据横观各向同性材料参数的定义，应用接触分形理论和结合部接触刚度分形模型，理论推导横观各向同性虚拟材料参数的理论模型，并将理论模型的解析解引入有限元软件对试验模型结构进行模态分析，将结构的理论模态与试验模态进行对比，验证模型的正确可信性。该模型的特点是实现了固定结合部参数化建模，并且参数计算方便，通用性强，具有较高的建模精度。1固定结合部横观各向同性虚拟材料假设的依据机械固定结合部实际上是具有一定厚度的空间区域，是整个结构系统固有性能的变化过渡区[9]，如图1所示。图1结合部示意图研究表明，许多工程表面形貌的轮廓都具有统计自仿射分形特性，即在不同放大倍数下表面轮廓具有相似性[10-12]。图2为通过扫描电子显微镜(Scanningelectronmicroscope,SEM)观察到的实际粗糙表面，可以看出，实际粗糙表面具有随机性、多尺度性和无序性[1,13]。根据工程表面的实际表面轮廓，接触表面在接触面内各个方向(即切平面或切向)性能基本相同，因此可以认为粗糙表面在横向各向同性。结合部由两个相互接触的粗糙表面构成，因此结合部也可认为具有横向各向基本同性的特征。所以，与等效为各向同性材料相比，将固定结合部等效为横观各向同性材料更合理，更符合固定结合部的真实特性。图2实际粗糙表面现将图1中的固定结合部等效为一种等截面的横观各向同性虚拟材料，如图3所示。虚拟材料的长和宽分别为结合部的长与宽，虚拟材料与两侧零件为固定连接。虚拟材料的材料参数以及密度通过理论计算得到。图3等效模型示意图2固定结合部等效虚拟材料参数的计算固定结合部等效横观各向同性虚拟材料的性能
差,同时也存在较大困难。目前，一般采用粘弹性单元来等效固定结合部[3-5]，该方法简单实用，已被众多研究者所采用，但是传统结合部弹簧-阻尼器模型中各弹簧-阻尼器是相互独立的，无法模拟它们之间的相互作用，即忽略各粘弹性单元之间及粘弹性单元的坐标之间的耦合关系，而结合部的法向和切向特性是相互影响的[2,6]；同时这种结合面模型化方法不便于与现有的有限元软件集成。文献[2]提出一种基于结合面元的结合面动力学建模方法，文献[7]提出一种机械结合部等效材料参数模型。上述两种结合部建模方法均需要试验测量，存在成本高以及工程应用简便性差等问题。文献[8]提出基于各向同性虚拟材料的结合部等效建模方法，为结合部建模提供了一种新思路，具有重要意义，但是存在两研究表明，许多工程表面形貌的轮廓都具有统计自仿射分形特性，即在不同放大倍数下表面轮廓具有相似性[10-12]。图 2 为通过扫描电子显微镜(Scanning electronmicroscope, SEM)观察到的实际粗糙表面，可以看出，实际粗糙表面具有随机性、多尺度性和无序性[1,13]。根据工程表面的实际表面轮廓，接触表面在接触面内各个方向(即切平面或切向)性能基本相同，因此可以认为粗糙表面在横向各向同性。结合部由两个相互接触的粗糙表面构成，因此结合部也可认为具有横向各向基本同性的特征。所以，与等效为各向同性材料相比，将固定结合部等效为横观各向同性材料更合理，更符合固定结合部的真实特性。
roscope,SEM)观察到的实际粗糙表面，可以看出，实际粗糙表面具有随机性、多尺度性和无序性[1,13]。根据工程表面的实际表面轮廓，接触表面在接触面内各个方向(即切平面或切向)性能基本相同，因此可以认为粗糙表面在横向各向同性。结合部由两个相互接触的粗糙表面构成，因此结合部也可认为具有横向各向基本同性的特征。所以，与等效为各向同性材料相比，将固定结合部等效为横观各向同性材料更合理，更符合固定结合部的真实特性。图2实际粗糙表面现将图1中的固定结合部等效为一种等截面的横观各向同性虚拟材料，如图3所示。虚拟材料的长和宽分别为结合部的长与宽，虚拟材料与两侧零件为固定连接。虚拟材料的材料参数以及密度通过理论计算得到。图3等效模型示意图2固定结合部等效虚拟材料参数的计算固定结合部等效横观各向同性虚拟材料的性能
本文编号：2773491
【图文】：
等效建模方法，根据横观各向同性材料参数的定义，应用接触分形理论和结合部接触刚度分形模型，理论推导横观各向同性虚拟材料参数的理论模型，并将理论模型的解析解引入有限元软件对试验模型结构进行模态分析，将结构的理论模态与试验模态进行对比，验证模型的正确可信性。该模型的特点是实现了固定结合部参数化建模，并且参数计算方便，通用性强，具有较高的建模精度。1固定结合部横观各向同性虚拟材料假设的依据机械固定结合部实际上是具有一定厚度的空间区域，是整个结构系统固有性能的变化过渡区[9]，如图1所示。图1结合部示意图研究表明，许多工程表面形貌的轮廓都具有统计自仿射分形特性，即在不同放大倍数下表面轮廓具有相似性[10-12]。图2为通过扫描电子显微镜(Scanningelectronmicroscope,SEM)观察到的实际粗糙表面，可以看出，实际粗糙表面具有随机性、多尺度性和无序性[1,13]。根据工程表面的实际表面轮廓，接触表面在接触面内各个方向(即切平面或切向)性能基本相同，因此可以认为粗糙表面在横向各向同性。结合部由两个相互接触的粗糙表面构成，因此结合部也可认为具有横向各向基本同性的特征。所以，与等效为各向同性材料相比，将固定结合部等效为横观各向同性材料更合理，更符合固定结合部的真实特性。图2实际粗糙表面现将图1中的固定结合部等效为一种等截面的横观各向同性虚拟材料，如图3所示。虚拟材料的长和宽分别为结合部的长与宽，虚拟材料与两侧零件为固定连接。虚拟材料的材料参数以及密度通过理论计算得到。图3等效模型示意图2固定结合部等效虚拟材料参数的计算固定结合部等效横观各向同性虚拟材料的性能
差,同时也存在较大困难。目前，一般采用粘弹性单元来等效固定结合部[3-5]，该方法简单实用，已被众多研究者所采用，但是传统结合部弹簧-阻尼器模型中各弹簧-阻尼器是相互独立的，无法模拟它们之间的相互作用，即忽略各粘弹性单元之间及粘弹性单元的坐标之间的耦合关系，而结合部的法向和切向特性是相互影响的[2,6]；同时这种结合面模型化方法不便于与现有的有限元软件集成。文献[2]提出一种基于结合面元的结合面动力学建模方法，文献[7]提出一种机械结合部等效材料参数模型。上述两种结合部建模方法均需要试验测量，存在成本高以及工程应用简便性差等问题。文献[8]提出基于各向同性虚拟材料的结合部等效建模方法，为结合部建模提供了一种新思路，具有重要意义，但是存在两研究表明，许多工程表面形貌的轮廓都具有统计自仿射分形特性，即在不同放大倍数下表面轮廓具有相似性[10-12]。图 2 为通过扫描电子显微镜(Scanning electronmicroscope, SEM)观察到的实际粗糙表面，可以看出，实际粗糙表面具有随机性、多尺度性和无序性[1,13]。根据工程表面的实际表面轮廓，接触表面在接触面内各个方向(即切平面或切向)性能基本相同，因此可以认为粗糙表面在横向各向同性。结合部由两个相互接触的粗糙表面构成，因此结合部也可认为具有横向各向基本同性的特征。所以，与等效为各向同性材料相比，将固定结合部等效为横观各向同性材料更合理，更符合固定结合部的真实特性。
roscope,SEM)观察到的实际粗糙表面，可以看出，实际粗糙表面具有随机性、多尺度性和无序性[1,13]。根据工程表面的实际表面轮廓，接触表面在接触面内各个方向(即切平面或切向)性能基本相同，因此可以认为粗糙表面在横向各向同性。结合部由两个相互接触的粗糙表面构成，因此结合部也可认为具有横向各向基本同性的特征。所以，与等效为各向同性材料相比，将固定结合部等效为横观各向同性材料更合理，更符合固定结合部的真实特性。图2实际粗糙表面现将图1中的固定结合部等效为一种等截面的横观各向同性虚拟材料，如图3所示。虚拟材料的长和宽分别为结合部的长与宽，虚拟材料与两侧零件为固定连接。虚拟材料的材料参数以及密度通过理论计算得到。图3等效模型示意图2固定结合部等效虚拟材料参数的计算固定结合部等效横观各向同性虚拟材料的性能
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