机床固定结合部动力学特性与整机动力学建模研究

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1、分类号学号D201077094学校代码10487密级博士学位论文机床固定结合部动力学特性与整机动力学建模研究学位申请人：肖魏魏学科专业：机械设计及理论指导老师：毛宽民教授答辩日期：2015年5月17日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyofEngineeringResearchonDynamicCharacteristicsofFixedJointandDynamicModelingo

2、fMachineToolsPh.D.Candidate：WeiweiXiaoMajor：MechanicalDesignandTheorySupervisor：Prof.KuanminMaoHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan430074,thePeople’sRepublicofChinaMay2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研

3、究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指

4、导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要现代高效高精度加工对机床性能要求越来越高，且有竞争力的机床生命周期不断缩短，传统的物理原型机制造、测试、修改、优化的设计方法逐渐不能满足现代机床设计需求。运用虚拟机床技术建立机床结构的数学模型，在设计阶段预测机床静动态性能，并根据预测结果修正设计方案，最终达到设计要求是实现高效高水平机床设计的一种新途径。建立能准确模拟机床结构静动态特性的数学模型是虚拟机床技术的基础，而机床结合部的建模则是机床结构建模中的难点和关键。本文以数控机床结合部为研究对象，运用有限单元法、实

5、验模态分析法和现代优化设计方法，对机床结构动力学建模中的结合部建模、模型参数获取、影响因素分析和应用技术四个关键技术展开深入研究。主要工作有如下几点：第一，提出主轴-刀柄锥面配合固定结合部的带锥度的有限单元模型及参数识别方法。该模型用带锥度的有限单元刚度矩阵和阻尼比系数来模拟主轴-刀柄锥面配合固定结合部的动态固有特性。基于结构频响函数矩阵与动刚度矩阵互逆关系，利用模态实验法测试得到的频响函数识别带锥度的有限单元参数。通过不同数学模型计算结果与实验值的比较，验证了该有限单元模型能够准确模拟锥面配合固定结合部的动力学特性。第二，分析

6、结构材料对机床螺栓固定结合部动力学特性的影响。分别基于Hertz接触理论和实验模态分析法，推导了不同材料配对螺栓固定结合部单元刚度矩阵与螺栓连接部件材料的等效弹性模量之间的统计模型。通过机床常见的螺栓连接部件建模应用，验证该统计模型的正确性。该正比关系定量的揭示了材料参数对螺栓固定结合部动力学特性的影响，为螺栓固定结合部单元模型的广泛应用提供了便利。第三，基于结合部精确模型的机床结构动力学建模。将螺栓固定结合部和锥面配合固定结合部的有限单元模型集成到有限元软件中，与结构组件的有限元模型、可动结合部的弹簧单元模型，合成机床整机结构

7、动力学模型。将该方法应用于CKX5680机床、YK31320滚齿机结构和XCM1600机床整机结构动力学建模，模型计算的机床结构静、动态特性参数与实验值基本一致，说明该建模方法能够准确建立机床结构动力学模型。第四，以提高结构的动力学特性为目标，采用优化方法确定机床多单元螺栓固定结合部动力学特性影响因素。基于螺栓固定结合部动力学特性影响因素分析，确定优化设计变量为螺栓数目和公称直径。通过约束条件分析，确定螺栓数目和公称直径的可行解范围。根据许可的频率损耗因子，在可行解范围内，选取最优的螺栓数目和公称直径使I华中科技大学博士学位论文

8、结构获得更好的动力学特性。为机床多单元螺栓固定结合部结合面参数确定提供了一种有效的方法。最后，以XCM1600机床为例，分析结合部对机床结构柔度分布影响机制。建立该机床结构的内力传递路径等效弹簧模型和柔度分布表征。利用所建立的XCM1600机床整机结构有限元模型