基于逆有限元法的重型数控机床结构件变形重构研究
发布时间：2021-03-21 12:01
重型数控机床的加工能力是一个国家工业水平和综合实力的重要体现,反映机床加工能力的关键因素是加工精度。龙门结构和机床底座等机床结构件在加工过程中的力、热变形是影响加工精度的主要因素。因此,研究结构件变形的实时监测与在线补偿对于提高重型数控机床的加工精度具有重要意义。重型数控机床结构件形状不规则,相互作用较多,受载信息获取困难,普通变形测量方法难以满足机床结构件的变形监测。本文基于逆有限元法（iFEM）对龙门结构和机床底座的位移场进行变形重构。逆有限元法通过应变矩阵建立单元节点自由度与分析应变之间的关系,构建分析应变与实验应变的误差最小二乘函数,利用求解误差函数的极小值获得节点自由度,采用形函数插值得出结构件的位移场。逆有限元法能够在受载信息未知的情况下,以被测结构表面较少的应变数据作为输入,输出结构的位移场,在形状复杂、受载未知的结构变形监测方面具有很大优势。本文的主要研究成果如下:（1）对龙门结构和机床底座进行了结构简化和受载情况分析。根据简化模型,利用梁单元和板单元对结构件进行网格划分和节点编号,编写了逆有限元算法。并且根据结构件的布点要求对逆有限元法进行了改进,实现了单元单侧布点。...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
通用车床主轴轴向误差激光干涉法测量装置[8]
变形较大的厚板，对于解决复合材料和非线性材料的变形问题有很大帮助[21]。1990年，TesslerA等人提出了一种三节点等曲率壳单元，这种单元利用剪切惩罚参数和边界约束的等参插值结合，避免了壳单元出现剪切锁定和单元锁定问题，并且通过对于锁定敏感的单曲和双曲薄壳问题实例，验证了这种单元的建模能力[22]。1994年CookRD提出了一种综合拉伸和弯曲变形的四边形壳单元。这种单元具有24个自由度，能够根据结构表面的平面应变信息，重构板结构的拉伸和弯曲耦合变形，文章还阐述了这种单元的应用场合以及应用效果[23]。图1-2逆有限元法监测机翼变形实验平台[25]单元插值理论提出后，2003年TesslerA等人首次提出逆有限元法的概念和理论。首先根据前面研究得出的位移函数，构造三角单元的形函数，采用双面粘贴应变测量装置的方法，将拉伸应变和弯曲应变进行解耦，通过最小二乘法构建逆有限元分析应变与应变传感器所测应变之间的误差关系，得出单元节点自由度。通过数值仿真实验证明，这种方法能够有效精确地重构结构位移场[24]。2005年QuachCC等人提出了利用逆有限元法实时监测飞机机翼变形。如图1-2所示，将机翼简化为一个竖直放置的悬臂板，悬臂板的一面粘贴FBG测量应变，另一面利用位移传感器测量悬臂板的位移，通过对比逆有限元法的重构位移和位移传感器所测得的位移，验证了逆有限元法在监测机翼变形时的准确性与可靠性[25]。同年，TesslerA等人构建了四边形壳单元，通过加载系数未知的三角函数力载荷，分别使用有限元法和逆有限元法重构单元变形，最后得出两者位移
曲变形重构[30]。逆有限元法可以应用于桁架静态变形[31]和动态模态[32]的实时监测，MarcoGherlone等人基于单元截面在发生变形后保持平整且垂直于中性轴的假设，构建了一种适用于梁单元的位移函数，这种位移函数的每个节点包含六个自由度，通过逆有限元重构算法建立节点自由度与静态应变和动态应变的关系，利用最小二乘法求解结构位移常在逆有限元法监测动态应变方面，XuegangSong等人以逆有限元法重构的静态位移场为基础，构建二阶动力学方程，将静态位移带入动力学方程中，然后应用卡尔曼滤波去除振动噪声的影响。如图1-3所示，经过试验验证，逆有限元法与卡尔曼滤波结合能够很好地预测梁结构的模态。图1-3逆有限元法在动态变形监测的应用结果[32]随着复合材料的快速发展，逆有限元法也被应用到复合材料和夹层结构的
【参考文献】：
期刊论文
[1]型钢混凝土机床底座受力性能分析与加固处理[J]. 王景玄,王文达,石晓飞,贾亮. 工程抗震与加固改造. 2016(01)
[2]受弯件上粘贴型光纤布拉格光栅的应变传递规律[J]. 李天梁,谭跃刚,张翔,魏来,董艳方. 光学精密工程. 2015(05)
[3]金属直接连接的布拉格光纤光栅应变测量方法[J]. 吴俊,陈伟民,章鹏,刘立,刘浩. 仪器仪表学报. 2012(12)
[4]龙门数控机床主轴热误差及其改善措施[J]. 仇健,刘春时,刘启伟,林剑峰. 机械工程学报. 2012(21)
[5]数控机床热误差补偿技术的发展状况[J]. 傅建中,姚鑫骅,贺永,沈洪垚. 航空制造技术. 2010(04)
[6]柔性曲面变形检测的FBG方法[J]. 樊红朝,张震,朱晓锦. 机电工程. 2009(03)
[7]数控机床的精度与温度[J]. 俞圣梅,吴梅英. 世界制造技术与装备市场. 2009(01)
[8]数控机床主轴热误差测温优化布点方案的研究[J]. 曹永洁,傅建中. 组合机床与自动化加工技术. 2007(01)
[9]改进型逆有限元法在某轿车翼子板快速成形模拟中的应用[J]. 闫亚坤,庄蔚敏,那景新. 塑性工程学报. 2006(01)
[10]改进型逆有限元法在弯曲成形模拟中的应用[J]. 那景新,焦健,闫亚坤,胡平. 机械工程学报. 2004(11)
博士论文
[1]基于FBG传感阵列的智能结构形态感知与主动监测研究[D]. 易金聪.上海大学 2014
[2]数控机床误差综合补偿技术及应用[D]. 杨建国.上海交通大学 1998
硕士论文
[1]基于FBG的重型数控机床龙门结构的变形检测及重构算法研究[D]. 胡娜.武汉理工大学 2017
[2]用于结构位移场重构的逆有限元法研究[D]. 蔡鹏越.南京航空航天大学 2016
[3]高速铁路连续弯梁桥光纤光栅结构监测技术研究[D]. 王琴.武汉理工大学 2013
本文编号：3092828
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
通用车床主轴轴向误差激光干涉法测量装置[8]
变形较大的厚板，对于解决复合材料和非线性材料的变形问题有很大帮助[21]。1990年，TesslerA等人提出了一种三节点等曲率壳单元，这种单元利用剪切惩罚参数和边界约束的等参插值结合，避免了壳单元出现剪切锁定和单元锁定问题，并且通过对于锁定敏感的单曲和双曲薄壳问题实例，验证了这种单元的建模能力[22]。1994年CookRD提出了一种综合拉伸和弯曲变形的四边形壳单元。这种单元具有24个自由度，能够根据结构表面的平面应变信息，重构板结构的拉伸和弯曲耦合变形，文章还阐述了这种单元的应用场合以及应用效果[23]。图1-2逆有限元法监测机翼变形实验平台[25]单元插值理论提出后，2003年TesslerA等人首次提出逆有限元法的概念和理论。首先根据前面研究得出的位移函数，构造三角单元的形函数，采用双面粘贴应变测量装置的方法，将拉伸应变和弯曲应变进行解耦，通过最小二乘法构建逆有限元分析应变与应变传感器所测应变之间的误差关系，得出单元节点自由度。通过数值仿真实验证明，这种方法能够有效精确地重构结构位移场[24]。2005年QuachCC等人提出了利用逆有限元法实时监测飞机机翼变形。如图1-2所示，将机翼简化为一个竖直放置的悬臂板，悬臂板的一面粘贴FBG测量应变，另一面利用位移传感器测量悬臂板的位移，通过对比逆有限元法的重构位移和位移传感器所测得的位移，验证了逆有限元法在监测机翼变形时的准确性与可靠性[25]。同年，TesslerA等人构建了四边形壳单元，通过加载系数未知的三角函数力载荷，分别使用有限元法和逆有限元法重构单元变形，最后得出两者位移
曲变形重构[30]。逆有限元法可以应用于桁架静态变形[31]和动态模态[32]的实时监测，MarcoGherlone等人基于单元截面在发生变形后保持平整且垂直于中性轴的假设，构建了一种适用于梁单元的位移函数，这种位移函数的每个节点包含六个自由度，通过逆有限元重构算法建立节点自由度与静态应变和动态应变的关系，利用最小二乘法求解结构位移常在逆有限元法监测动态应变方面，XuegangSong等人以逆有限元法重构的静态位移场为基础，构建二阶动力学方程，将静态位移带入动力学方程中，然后应用卡尔曼滤波去除振动噪声的影响。如图1-3所示，经过试验验证，逆有限元法与卡尔曼滤波结合能够很好地预测梁结构的模态。图1-3逆有限元法在动态变形监测的应用结果[32]随着复合材料的快速发展，逆有限元法也被应用到复合材料和夹层结构的
【参考文献】：
期刊论文
[1]型钢混凝土机床底座受力性能分析与加固处理[J]. 王景玄,王文达,石晓飞,贾亮. 工程抗震与加固改造. 2016(01)
[2]受弯件上粘贴型光纤布拉格光栅的应变传递规律[J]. 李天梁,谭跃刚,张翔,魏来,董艳方. 光学精密工程. 2015(05)
[3]金属直接连接的布拉格光纤光栅应变测量方法[J]. 吴俊,陈伟民,章鹏,刘立,刘浩. 仪器仪表学报. 2012(12)
[4]龙门数控机床主轴热误差及其改善措施[J]. 仇健,刘春时,刘启伟,林剑峰. 机械工程学报. 2012(21)
[5]数控机床热误差补偿技术的发展状况[J]. 傅建中,姚鑫骅,贺永,沈洪垚. 航空制造技术. 2010(04)
[6]柔性曲面变形检测的FBG方法[J]. 樊红朝,张震,朱晓锦. 机电工程. 2009(03)
[7]数控机床的精度与温度[J]. 俞圣梅,吴梅英. 世界制造技术与装备市场. 2009(01)
[8]数控机床主轴热误差测温优化布点方案的研究[J]. 曹永洁,傅建中. 组合机床与自动化加工技术. 2007(01)
[9]改进型逆有限元法在某轿车翼子板快速成形模拟中的应用[J]. 闫亚坤,庄蔚敏,那景新. 塑性工程学报. 2006(01)
[10]改进型逆有限元法在弯曲成形模拟中的应用[J]. 那景新,焦健,闫亚坤,胡平. 机械工程学报. 2004(11)
博士论文
[1]基于FBG传感阵列的智能结构形态感知与主动监测研究[D]. 易金聪.上海大学 2014
[2]数控机床误差综合补偿技术及应用[D]. 杨建国.上海交通大学 1998
硕士论文
[1]基于FBG的重型数控机床龙门结构的变形检测及重构算法研究[D]. 胡娜.武汉理工大学 2017
[2]用于结构位移场重构的逆有限元法研究[D]. 蔡鹏越.南京航空航天大学 2016
[3]高速铁路连续弯梁桥光纤光栅结构监测技术研究[D]. 王琴.武汉理工大学 2013
本文编号：3092828
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