基于ANSYS的螺栓固定结合面建模方法研究
摘要
螺栓固定结合面是一种非常普遍的机械结构连接形式,对机械系统整体的静动态特性有很大的影响,因此有必要对螺栓结合面进行分析和研究,研究对其进行有限元分析的切实可行的方法,研究其对机床性能的影响等。但由于螺栓固定结合面具有一定的预载,并且呈现出一定的非线性,因此对这一结构的研究具有一定的难度。本文在总结了当前国内外结合面研究成果的前提下,从宏观的角度出发,提出了使用虚拟介质法建立结合面有限元模型的方法,并建立了相应的螺栓结合面数学模型,实现了具有结合面结构系统的静动态分析建模的统一性、简单性和实用性。
具体研究内容如下：
(1)论文首先在查阅大量文献的基础上,总结了国内外结合面动静态特性研究现状,介绍了目前结合面动态特性研究的主要方法及关键技术。针对目前结合面实际建模分析应用中存在的主要问题,提出了使用虚拟介质法建立结合面参数化模型的方法；
(2)在结合面数学模型的推导部分,以矩形结合面元为例,推导出了具有结合面结构的装配体动力学模型；
(3)使用ANSYS有限元分析软件的APDL语言,建立全参数化的、带有预载功能的螺栓固定结合面装配模型；
(4)以装配体结构的固有频率为分析目标,通过几种不同的结合面有限元建模、分析过程,对比各种方法的优劣,分析重点在采用虚拟介质法建立结合面的有限元模型上。在对虚拟介质法建模参数进行了定性分析后，通过采用理论研究、动态试验和有限元分析相结合的结合面研究方法,对结合面参数进行了定量优化分析,建立了采用虚拟介质法建模的结合面参数方程；
(5)最后通过对具有结合面的装配样件的模态试验分析,获得了一定数量的模态试验结果,对比试验结果和虚拟介质法有限元分析结果,验证所采用方法的有效性和可行性。
本文通过试验、分析计算相结合的方法,达到分析建模的合理性和有效性,为建立具有结合面特性的装配体有限元模型提供了简单有效的分析途径。
The bolted joint is a very common connecting form in mechanism, has a very big influence to the dynamic characteristics of the whole machine system. So, it is very necessary to study and analysis to that structure form, such as researching an available modeling method to FEA, or its effect to machine tools. But in fact, the bolted joint is a structure with some prestress, and having certain nonlinear properties. Therefore, it is awful difficult to research them.
After summarizing current state of domestic and international research on bolted joint, this thesis puts forward using Virtual Joint method to build finite element model, and building up mathematics model to bolted joints.
The main content of this paper is as followed:
(1) This paper has summarized the state of development that the studies on dynamic performance of machine tool joints and subject matter existing at present, introduced the key method of reach on the dynamic performance of joints, and brought a new way-Virtual Joint, combined by theoretical calculation, dynamic test and FEA to research the performance of joints.
(2) In the part of deducing the mathematics model of joints, using rectangle element a dynamic model of assembly structure has been deduced;
(3) Using APDL language of FEA software ANSYS, an assembly model which is a whole parameterized prestressed model has been built.
(4) Tacking the structural frequency of assembly model as the analysis target, this paper compared a few FEA methods through different ways to set up joints. Using virtual joint to build bolted joint is focused on in process. After qualitative analysis to parameters of virtual layer, via adopting the method combined theory study, dynamic test and FEA together, parameters of virtual layer have been identified in optimized analysis, and set up the joint's parameter equation of virtual layer.
(5) Finally, in order to achieve actual modal data the shock excitation on assembly model has been tested. Lots of useful data on joints in several-normal conditions can also be found in this paper. Comparing tested data and FEA data to verify the validity and feasibility for using virtual joint to build assembly model.
By means of experiments and FEA calculation, this thesis achieved the validity and feasibility to model and analysis. The study of this paper provided an easy and valid approach to set up assembly model with joints. Research indicates that, given appropriate parameters of virtual layer we can get the dynamic model of assembly including joints, which reflects the actual characteristic of joint.
Some basic theories of finite element and model testing are included in this paper; they are needed to understand this paper. The paper also covers some ANSYS study on dynamic characteristics of joints.
具体研究内容如下：
(1)论文首先在查阅大量文献的基础上,总结了国内外结合面动静态特性研究现状,介绍了目前结合面动态特性研究的主要方法及关键技术。针对目前结合面实际建模分析应用中存在的主要问题,提出了使用虚拟介质法建立结合面参数化模型的方法；
(2)在结合面数学模型的推导部分,以矩形结合面元为例,推导出了具有结合面结构的装配体动力学模型；
(3)使用ANSYS有限元分析软件的APDL语言,建立全参数化的、带有预载功能的螺栓固定结合面装配模型；
(4)以装配体结构的固有频率为分析目标,通过几种不同的结合面有限元建模、分析过程,对比各种方法的优劣,分析重点在采用虚拟介质法建立结合面的有限元模型上。在对虚拟介质法建模参数进行了定性分析后，通过采用理论研究、动态试验和有限元分析相结合的结合面研究方法,对结合面参数进行了定量优化分析,建立了采用虚拟介质法建模的结合面参数方程；
(5)最后通过对具有结合面的装配样件的模态试验分析,获得了一定数量的模态试验结果,对比试验结果和虚拟介质法有限元分析结果,验证所采用方法的有效性和可行性。
本文通过试验、分析计算相结合的方法,达到分析建模的合理性和有效性,为建立具有结合面特性的装配体有限元模型提供了简单有效的分析途径。
The bolted joint is a very common connecting form in mechanism, has a very big influence to the dynamic characteristics of the whole machine system. So, it is very necessary to study and analysis to that structure form, such as researching an available modeling method to FEA, or its effect to machine tools. But in fact, the bolted joint is a structure with some prestress, and having certain nonlinear properties. Therefore, it is awful difficult to research them.
After summarizing current state of domestic and international research on bolted joint, this thesis puts forward using Virtual Joint method to build finite element model, and building up mathematics model to bolted joints.
The main content of this paper is as followed:
(1) This paper has summarized the state of development that the studies on dynamic performance of machine tool joints and subject matter existing at present, introduced the key method of reach on the dynamic performance of joints, and brought a new way-Virtual Joint, combined by theoretical calculation, dynamic test and FEA to research the performance of joints.
(2) In the part of deducing the mathematics model of joints, using rectangle element a dynamic model of assembly structure has been deduced;
(3) Using APDL language of FEA software ANSYS, an assembly model which is a whole parameterized prestressed model has been built.
(4) Tacking the structural frequency of assembly model as the analysis target, this paper compared a few FEA methods through different ways to set up joints. Using virtual joint to build bolted joint is focused on in process. After qualitative analysis to parameters of virtual layer, via adopting the method combined theory study, dynamic test and FEA together, parameters of virtual layer have been identified in optimized analysis, and set up the joint's parameter equation of virtual layer.
(5) Finally, in order to achieve actual modal data the shock excitation on assembly model has been tested. Lots of useful data on joints in several-normal conditions can also be found in this paper. Comparing tested data and FEA data to verify the validity and feasibility for using virtual joint to build assembly model.
By means of experiments and FEA calculation, this thesis achieved the validity and feasibility to model and analysis. The study of this paper provided an easy and valid approach to set up assembly model with joints. Research indicates that, given appropriate parameters of virtual layer we can get the dynamic model of assembly including joints, which reflects the actual characteristic of joint.
Some basic theories of finite element and model testing are included in this paper; they are needed to understand this paper. The paper also covers some ANSYS study on dynamic characteristics of joints.
引文
1. 张学玲.基于广义模块化设计的机械结构静、动态特性分析及优化设计(D),天津：天津大学,2004
2.张杰.复杂机械结构结合面动力学建模及其参数识别方法的研究[J],机械强度,1996年6月,第18卷第2期：1-5.
3.张学良,徐格宁,温淑花.机械结合面静动态特性研究回顾及展望[J],太原重型机械学院学报,2002年9月,第23卷第3期：226-231.
4.王飞月.机床的动态特性分析[J],河北工业科技,2001年,第18卷第4期：11-13.
5.史安娜,刘春时.数控机床主轴部件变形的有限元分析[J],组合机床与自动化加工技术,2005年第4期：26-27.
6.杨家华,伍良生,管华.平面结合面参数识别的研究[J],北京工业大学学报,2000年9月,第26卷第3期：20-23
7.李丙才,刘立美,刘建伟,贾九红.XK5025主轴动态设计[J],机床与液压,2006年,第5期：66-68.
8.杨光,王玉丹.传递矩阵法进行电主轴的动力学特性分析[J],机械设计与制造,2001年6月,第3期：50-51
9.解文志.高速电主轴动静态特性的有限元分析[D],哈尔滨：哈尔滨工业大学,2006
10.管琪明,尹健,李屹,田军.机床主轴动态特性优化设计的遗传算法实现[J],贵州工业大学学报(自然科学版),2006年4月,第33卷第2期：85-89.
11.冯志友,贾宇波.机床主轴计算机优化设计新算法[J],组合机床与自动化加工技术,2001年,第2期：13-15.
12.严云.基于ANSYS参数化设计语言的结构优化设计[J],华东交通大学学报,2004年8月,第21卷第4期：52-55.
13.李松生,杨柳欣,王兵华.高速电主轴轴系转子动力学特性分析[J],轴承,2002年,第2期：15-17.
14.于国平.基于惩罚函数法的机床主轴结构的优化设计[J],农机化研究,2004年7月,第4期：102-103.
15.郑玲利,吕文阁.基于竟选算法的机床主轴结构优化设计[J],机械设计与制造,2006年8月,第8期：35-37.
16.邵红艳.基于遗传算法的机床主轴动态特性优化设计[J],现代机械,2005年,第4期：39-41.
17.张耀满等.加工中心主轴部件及其主轴箱的热特性有限元分析[J],组合机床与自动 化加工技术,2005年第4期：43-45.
18.梁允奇.机械制造中的传热与热变形基础[M],北京：机械工业出版社,1982,64-66.
19.张德贤.金属切削机床的热误差及其在线智能补偿(D),武汉：华中理工大学,1995
20.机床设计手册编写组机床设计手册,第三册[M],北京：机械工业出版社,1986,264-271.
21.张洪武等.有限元分析与CAE技术基础[M],北京：清华大学出版社,2004年11月,186-192.
22.博嘉科技ANSYS融会与贯通[M],北京：中国水利水电出版社,2002年11月,54-152.
23.何晶昌.机床主轴组件刚度ANSYS分析[J],中国制造业信息化,2006年6月,第35卷第11期：32-33.
24.戴曙等.机床滚动轴承应用手册[M],北京：机械工业出版社,1993年3月,206-220.
25.纪海慧,孙序泉.CK1416数控车床整机结合面动力学特性建模与仿真[J],精密制造与自动化,2003年第1期：30-33.
26.张宇廖,伯瑜.机床结合部参数的有效识别方法[J],昆明理工大学学报,1998年4月,第23卷第2期：36-41.
27.赵宏林,黄玉美等.常用结合面接触热阻特性的试验研究[J],西安理土大学学报,1999,Vol15,No.3：26-29.
28.郭策,孙庆鸿,蒋书运.高速高精度数控车床主轴内外转子藕合系统的动力学建模方法研究[J],机械科学与技术,2005年9月,第24卷第9期：1009-1012.
29.张学良,温淑花.基于接触分形理论的结合面切向接触刚度分形模型[J],农业机械学报,2002年5月,第33卷第3期：356-359.
30.张学良,黄玉美,韩颖.基于接触分形理论的机械结合面法向接触刚度模型[J],中国机械工程,2000年7月,第11卷第7期：727-731.
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32.赵波,张琴,洪如瑾.UG NX2相关参数化设计培训教程[M],北京：清华大学出版社,2005年1月,121-135.
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34.李德葆,陆秋海.实验模态分析及其应用[M],北京：科学出版社,2001年2月,66-89.
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36.王伟伟,翁泽宇,巫少龙.大型高效数控铣床有限元模态分析[J],机床与液压,2005年,第6期：21-22。
37. ANSYS Online Help
38.Irving H.Shames & James M.Pitarresi, Introduction to Solid Mechanics,Third Edition[M],北京：清华大学出版社,2004年,5-86.
39.Ferdinand P.Beer & E.Russell Johnston Jr, Vector Mechanics for Engineers, Dynamics,Third SI Metric Edition[M],北京:清华大学出版社,2003年,46-55.
40.Richard P.Olenick,Tom M.Apostol & David L.Goodstein,The Mechanical Universe. Introduction to Mechanics and Heat[M],北京:北京大学出版社,2001年,157-161.
41.Yang Guitong,Theory of Elasticity and Plasticity[M],北京:中国工业出版社,2005 年,66-69.
42.魏志刚,汤文成,刘德仿.有限元分析在结构设计中的应用,设计与研究[J],2005年,第8期,总第32卷：12-14.
43.郭策,孙庆鸿.高速高精度数控车床主轴系统的热特性分析及热变形计算[J],东南大学学报(自然科学版),2005年3月,第35卷第2期：231-234.
44.洪福昌.数控机床结合面特性参数识别研究及其应用软件开发[D],北京：北京工业大学,2000
45.张学荣.NJ6400白车身结构动力学分析及优化设计[J],机械研究与应用,2002年9月,第15卷第3期：38-40.
46.黄玉美等.机械平面结合部静特性的研究及其在机床CAD中的应用[J],工程力学,第12卷第1期,1995年3月：67-71.
47.华珍,王效岳,张学良.基于B P Network的机械结合面法向动刚度模拟方法的研究[J],山东工业大学学报,2001年6月,第31卷第3期：268-272.
48.陈新,孙庆鸿,毛海军,陈南.基于接触单元的磨床螺栓连接面有限元建模与模型修正[J],中国机械工程,2001年5月,第12卷第5期：524-527.
49.张学良,黄玉美,温淑华.机床结合面静态基础特性参数的建模及其应用[J],制造技术与机床,1997年第11期：8-11.
50.王世军,黄玉美等.机床导轨结合部的有限元模型[J],中国机械工程,2004年9月下半月,第15卷第18期：1634-1636.
51.张杰,童忠錺.机床固定结合面动力学建模问题[J],振动与冲击,1994年,第3期：15-22.
52.许敏.机床固定结合面动态与热态特性分析(D),武汉：东南大学,2006
53.黄长艺.机械工程测量与试验技术[M],北京：机械工业出版社,2000年,147-162.
54.Modeling Preloaded Fasteners,An ANSYS Support Distributor,April 30,2000
55.王海滨.机床结合面实验设计及有限元建模的研究[D],北京：北京工业大学,2001
56.崔俊芝.计算机辅助工程(CAE)的现状和未来[J]：2-4.
57.HP 3566A/3567A Operating Manual[M],Hewlett-Packard Company,1989年,7-45.
58.吴筱坚.机床固定结合面的一种建模方法[J],机械科学与技术,2002年,第5期：439-441
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