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1、华中科技大学 硕士学位论文 机床双螺栓固定结合面单元动力学参数识别 姓名：徐强 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：毛宽民 20090520 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 当今装备制造工业的迅猛发展，对数控机床的加工性能提出了更高要求，尤其是 机床本身的动态性能。研究表明，机床结合面所产生的刚度和阻尼对机床的动态性能 具有显著影响。如何在设计阶段准确预测机床整机的动力学性能，是机床设计过程中 首要解决的关键问题，然而机床动力学建模过程中结合面的处理，一直是影响机床动 态设计和仿真精度的关键难题。
2、为了获得结合面的动态特性及其刚度阻尼的量化值，本文在充分调研的基础上， 建立了机床常见螺栓联结固定结合面单元的动力学模型。该模型充分考虑了结合面单 元各节点自由度之间的耦合关系，相比传统的弹簧阻尼器模型来说，能够更加准确 的模拟结合面的动态特性，提高机床整机的仿真精度。 本文采用“理论建模与模态实验相结合”的参数辨识方法来识别结合面动力学参 数。首先建立了结合面的动力学模型，然后设计加工了一个双螺栓固定结合面单元试 件，利用 LMS Test.Lab 振动测试与分析系统对该试件进行单点激励多点响应模态实 验，提取整个试件的频响函数矩阵，之后基于阻抗矩阵与频响矩阵互逆性这一原理， 利用 MATL
3、AB 非线性最小二乘法（lsqnonlin）识别结合面参数，最后将识别的结合面 参数带入 MSC.FEA 有限元模型中进行验证。 本文利用 MSC.Nastran 特有的 DMIG 卡片，将识别的结合面参数嵌入结合面有限 元模型中，进行正则模态分析，与实验结果进行比较验证。经过验证发现，有限元仿 真结果与实验结果的误差均在 10%以内，这就证明了本参数识别方法是正确可行的， 用该方法识别的结合面参数精度高，在机床动力学建模时可以用来模拟结合面的动态 特性。这样，在进行机床整机有限元仿真分析时，对机床螺栓固定结合面就有了一种 可靠的定义方法。 关键词：关键词：双螺栓固定结合面 动力学建模 模态实
4、验 非线性最小二乘法 DMIG 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I I Abstract The rapid development of todays equipment manufacturing industries put higher demands on the processing performance of NC machine tools, especially the dynamic performance of machine tools itself. Studies have shown that th
5、e joints of machine tools have signicant influence on the dynamic behaviour of machine tools due to creation of stiffness and damping. How to predict the dynamic performance of machine tools accurately at the design stage is the primary key issues to resolve during the process of machine tools desig
6、n. However, the processing of joints has been the key problems to influence the dynamic design and simulation accuracy in the dynamic modeling of machine tools. In order to obtain the dynamic characteristics and quantitative values of the stiffness and damping of the joints, on the basis of full inv
7、estigation, this paper built a bolted-joint element model which is the common representative joints in the machine structure. Compared with the traditional spring-damper model, this model took the coupling relationship between the DOFs of every node of joint element into account, which can simulate
8、the dynamic characteristics of joints more accurately and improve the simulation accuracy of machine tools. In this paper, the parameter identification method of Combination of Theoretical Modeling and Modal Experimental was used to identify the dynamic parameters of joints. First of all, the dynami
9、c model of joints was built. Secondly a two-bolt fixed joint element specimen was designed and manufactured， and then a single-input and multi-output (SIMO) modal test was done on the specimen using the LMS Test.Lab vibration test and analysis system, so as to get the frequency response function mat
10、rix of the whole specimen including joints. Thirdly, based on the principle that the impedance matrix and frequency response matrix is inverse, the parameters of joints were identified using the MATLAB nonlinear least square method (lsqnonlin). Finally the parameters identified were embedded into th
11、e finite element model in MSC. FEA software to verify. In this paper, the joints parameters identified were embedded into the finite element model using the unique DMIG card of MSC.Nastran, and then the model was carried out a 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III NORMAL MODES analysis
12、 in order to compare the simulation results with the testing results to validate the accuracy. Validation results showed that the errors between the natural frequency of FEA and that of testing are all less than 10%, which verified that the parameter identification method is correct and feasible, an
13、d the parameters identified using this method have a high precision and can be used to simulate the dynamic characteristics of joints in the dynamic modeling of machine tools. Therefore, when doing the finite element simulation of machine tools, a more reliable method can be applied to the definitio
14、n of bolted joints of machine tools. Keywords: Two-bolt Fixed Joint, Dynamic Modeling, Modal Test, Nonlinear Least Square Method, DMIG. 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
15、 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。 本论文属于 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题
16、来源课题来源 本课题来源于国家 973 计划课题“数字化制造基础研究”的子课题“高速数控机 床动态行为演变及其高精度控制”，课题编号：2005CB724101。 1.2 课题的研究目的及意义课题的研究目的及意义 1.2.1 课题的研究目的课题的研究目的 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的发展水平和现代化程 度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和基本装备。随 着现代机床日益向高速、高加速、高效、高精、重载方向发展，其动态特性的优劣， 将直接影响机床的加工性能。对数控机床精度的要求现在已不仅仅局限于传统的静态 几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视1。 为了实现高速、高精加工，重点就在于解决数控系统和相关功能部件(数字化伺服 系
