• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看

      ?

      考慮結(jié)合面影響的組合梁非線性預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

      2014-09-05 06:44:22李小彭趙光輝楊皓天聞邦椿
      振動與沖擊 2014年4期
      關(guān)鍵詞:摩擦系數(shù)固有頻率螺栓

      李小彭, 趙光輝, 楊皓天, 聞邦椿

      (東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院,沈陽 110819)

      機(jī)械零部件之間通過裝配形成的結(jié)合部位稱為結(jié)合面,它在機(jī)械系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中起著傳遞運(yùn)動、載荷和能量的重要作用。以數(shù)控機(jī)床為例,研究表明,其結(jié)合面的動態(tài)參數(shù)是機(jī)床整體靜、動態(tài)特性的薄弱環(huán)節(jié),直接決定和影響著機(jī)床的剛度、阻尼、加工精度和穩(wěn)定性,并且加工過程中的結(jié)合面摩擦、間隙接觸、變載等非線性因素給機(jī)床的整體動力學(xué)建模帶來很大的困難。因此,開展結(jié)合面的動態(tài)特性研究,能為設(shè)計(jì)階段預(yù)測機(jī)床整機(jī)動態(tài)特性提供技術(shù)支持,提高加工精度和動態(tài)特性,具有重要的學(xué)術(shù)研究和實(shí)際應(yīng)用價值[1]。

      多年來國內(nèi)外學(xué)者對結(jié)合面接觸剛度、阻尼的動力學(xué)建模及參數(shù)識別進(jìn)行了大量的研究[2-4]。張廣鵬等[5]基于結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù),研究了機(jī)床導(dǎo)軌結(jié)合面動態(tài)特性的建模方法,利用解析公式對結(jié)合面動態(tài)特性因素進(jìn)行了分析與處理。Dhupia等[6]用實(shí)驗(yàn)來研究機(jī)床結(jié)合面對整機(jī)動力學(xué)特性的影響。以銑床的立柱-主軸箱為研究對象,建立了非線性模型并采用非線性阻抗耦合法進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)結(jié)合面的非線性特性使結(jié)構(gòu)的固有頻率和相應(yīng)的共振峰值發(fā)生了明顯的變化。Yang等[7]則將有限元法和模態(tài)試驗(yàn)分析技術(shù)相結(jié)合,運(yùn)用傳遞函數(shù)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合面的參數(shù)識別。以上研究可以從一定程度上描述結(jié)合面的特性,但是他們一般都在線性范圍內(nèi)進(jìn)行研究,或者把非線性問題轉(zhuǎn)化為線性進(jìn)行解決,從而使所建立的模型具有一定的局限性。而從系統(tǒng)動力學(xué)角度看,由于摩擦和間隙等因素,結(jié)合面具有強(qiáng)烈的非線性特性,使得系統(tǒng)的動力學(xué)行為變得很復(fù)雜,甚至?xí)淖儥C(jī)構(gòu)動力系統(tǒng)的拓?fù)錂C(jī)構(gòu),從而使系統(tǒng)的精度降低,引起振動、噪聲等問題[8]。因此,考慮結(jié)合面的非線性特性,對結(jié)合面進(jìn)行非線性動力學(xué)分析就顯得迫切需要。

      本文在前人關(guān)于結(jié)合面處理方法研究的基礎(chǔ)上,以組合梁為研究對象,利用有限元分析軟件ANSYS建立了考慮非線性因素的結(jié)合面非線性預(yù)應(yīng)力模型,著重利用非線性預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析法研究了結(jié)合面摩擦系數(shù)及結(jié)合面法向載荷對組合梁結(jié)合面振動特性的影響[9],為后續(xù)機(jī)床整機(jī)動態(tài)特性的識別和優(yōu)化提供依據(jù),最后通過模態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了非線性預(yù)應(yīng)力模型的可行性。

      1 組合梁結(jié)合面非線性預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

      在常規(guī)ANSYS有限元軟件模態(tài)分析的基礎(chǔ)上,利用非線性預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析法進(jìn)行了考慮螺栓預(yù)應(yīng)力影響時結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析,研究了摩擦系數(shù)及法向載荷作用下的組合梁結(jié)合面非線性特性。

      組合梁是由兩塊尺寸為400 mm×50 mm×6 mm的45號鋼板通過16個4.8級的M6螺栓連接構(gòu)成的,如圖1所示。由于本文主要是研究結(jié)合面的動態(tài)特性,所以對螺栓進(jìn)行簡化,忽略影響求解速率的精細(xì)螺紋結(jié)構(gòu),將螺栓等效為三段圓柱體。建立模型前,對梁的彎曲振動進(jìn)行基本的假設(shè):梁各截面的中心軸在同一平面內(nèi),并且在此平面內(nèi)做彎曲振動,不計(jì)算轉(zhuǎn)動慣量和剪切變形的影響,同時截面繞中心軸的轉(zhuǎn)動與橫向位移相比可以忽略不計(jì)[10]。

      1.1 組合梁Glue處理

      進(jìn)入ANSYS有限元分析軟件,指定Beam 2 node 188單元,按照國際單位(kg/m/s)建立模型,定義組合梁截面尺寸B×H=0.05×0.012,組合梁的材料常數(shù)為Ee=2.1×105MPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3。將兩塊鋼板接觸面和螺栓與鋼板接觸面用Glue命令處理,將其作為一個整體進(jìn)行模態(tài)分析,即忽略結(jié)合面的存在,建立有有限元模型如圖2所示。不施加任何載荷和約束,直接進(jìn)行線性分析,通過組合梁前5階彎曲振動振型得出組合梁前5階固有頻率如表1所示。

      由于Glue命令是將模型中各部分組合為一個整體,所以上述組合梁模型就可以看作是實(shí)際結(jié)構(gòu)的等質(zhì)量模型,該處理的結(jié)果用作和下文的考慮結(jié)合面影響時組合梁非線性模態(tài)分析結(jié)果作對比。

      表1 組合梁Glue粘結(jié)處理彎曲振動前五階固有頻率(Hz)

      1.2 組合梁結(jié)合面非線性預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

      自由梁的固有頻率與固支梁的彎曲頻率相同

      (1)

      式中:Ee為組合梁材料彈性模量,J為組合梁截面慣性矩,A為組合梁截面面積。

      螺栓擰緊力矩M與法向載荷F有如下關(guān)系[11]

      M=0.2Fd

      (2)

      式中d為螺栓的直徑。所以結(jié)合面法向載荷可以通過給螺栓施加預(yù)緊力得到。

      首先建立組合梁的預(yù)應(yīng)力模型。對于實(shí)驗(yàn)對象為螺栓組聯(lián)接的組合梁,其預(yù)應(yīng)力是通過對螺栓施加預(yù)緊力得到的。本文通過預(yù)應(yīng)力單元來施加預(yù)緊力,過程如下:先利用Solid186單元對螺栓進(jìn)行單元劃分,之后在螺栓中間部分節(jié)點(diǎn)分開并選擇預(yù)應(yīng)力單元Prets179將分開部分連接起來,最后設(shè)置螺栓預(yù)緊力即可完成對螺栓施加預(yù)緊力。

      其次,為了考慮結(jié)合面摩擦接觸特性等影響因素,在結(jié)合面處建立接觸單元。過程如下:定義合適的網(wǎng)格尺寸選擇Solid186單元對兩塊鋼板進(jìn)行Sweep網(wǎng)格劃分,同時選擇十六個M6螺栓進(jìn)行自由劃分。然后在兩塊鋼板和鋼板與螺栓的結(jié)合面節(jié)點(diǎn)上建立接觸對,接觸單元分別是TARGE170和CONTA174。設(shè)置常用的鋼與鋼摩擦系數(shù)為0.12,在摩擦選項(xiàng)中設(shè)置剛度矩陣選項(xiàng)為非對稱形式。建立的三個接觸對如圖3所示。

      圖3 組合梁接觸對模型

      然后定義邊界條件,對組合梁進(jìn)行靜力學(xué)分析。根據(jù)自由梁彎曲振動固有頻率等于固支梁的彎曲振動固有頻率的結(jié)論,對組合梁兩端截面施加全位移約束。選擇非對稱計(jì)算類型,并在分析選項(xiàng)中選擇預(yù)應(yīng)力計(jì)算開啟狀態(tài),進(jìn)行接觸非線性靜力分析。從而解決了自由狀態(tài)下進(jìn)行靜力學(xué)分析時往往提示組合梁的某個節(jié)點(diǎn)位移在預(yù)緊力加載方向超出軟件設(shè)定的范圍的問題。組合梁靜力學(xué)分析結(jié)果如表2所示。

      表2 組合梁靜力學(xué)分析結(jié)果

      最后,在完成接觸靜力分析以后,選擇預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析模塊,勾選非對稱求解器,設(shè)置預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析開啟,將前面考慮摩擦接觸特性獲得的組合梁靜力學(xué)分析結(jié)果直接導(dǎo)入組合梁預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析過程中,將螺栓預(yù)緊力矩設(shè)置為4 N·m。將求解得到的組合梁彎曲振動固有頻率與不考慮結(jié)合面影響時的結(jié)果對比分析如表3所示。

      從表3中可以看出結(jié)合面非線性特征(接觸特性)對組合梁各階彎曲振動固有頻率有重要影響,并且對高階彎曲模態(tài)影響尤為明顯。由于結(jié)合面的存在,結(jié)構(gòu)固有頻率將降低,可能原因是由于結(jié)合面之間存在一定摩擦,導(dǎo)致固有頻率減小。

      表3 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析與線性模態(tài)分析彎曲振動固有頻率(Hz)對比

      2 結(jié)合面參數(shù)對組合梁動態(tài)特性的影響

      2.1 不同法向載荷下組合梁的模態(tài)分析

      設(shè)置預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析開啟,將前面考慮摩擦接觸特性獲得的組合梁靜力學(xué)分析結(jié)果直接導(dǎo)入組合梁預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析過程中。求解得到螺栓受不同預(yù)緊力矩M作用下時(M=4,8,12,16,20 N·m)組合梁的前10階模態(tài)的固有頻率,結(jié)果如圖4所示。

      由圖4可以看出:隨著預(yù)緊力矩的增大,即隨著法向載荷的增大,鋼板結(jié)合面面壓增強(qiáng),組合梁各階固有頻率都有所增加,但增幅不大,其中不同頻率的增幅不同。

      2.2 不同摩擦系數(shù)下組合梁的模態(tài)分析

      采用單變量法研究結(jié)合面摩擦系數(shù)對組合梁振動特性的影響。設(shè)定螺栓擰緊力矩為4 N·m,在建立接觸對過程中分別設(shè)定5種不同的摩擦系數(shù)(μ=0.001,0.07,0.14,0.21,0.28),并在建立接觸對過程中進(jìn)行相關(guān)修改,重新進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。得出組合梁的各階固有頻率,結(jié)果如圖5所示。

      圖5 不同摩擦系數(shù)下組合梁預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析各階固有頻率

      由圖5可以看出,摩擦系數(shù)對組合梁各階固有頻率的影響比預(yù)緊力更明顯。摩擦系數(shù)較大的結(jié)合面(μ=0.28)比近光滑結(jié)合面(μ=0.001)使組合梁高階頻率降低了上千赫茲。同時結(jié)合面摩擦系數(shù)對組合梁低階固有頻率影響較小。原因?yàn)榻Y(jié)合面摩擦系數(shù)增大,接觸點(diǎn)接觸面積小于臨界接觸面積比例增加,接觸點(diǎn)處于塑性變形的比例增加,結(jié)合面阻尼增加剛度減小,而固有頻率隨結(jié)合面剛度值的減小而減小。

      3 結(jié)合面模態(tài)試驗(yàn)

      模態(tài)試驗(yàn)可以為非線性預(yù)應(yīng)力模型提供基礎(chǔ)參數(shù)和邊界條件,并驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,同時也可作為以后結(jié)合面動力學(xué)建模的數(shù)據(jù)積累[12]。

      實(shí)驗(yàn)儀器選用B&K公司的3560 B-020 Pulse數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、4514-001型內(nèi)置放大電路型加速度傳感器和脈沖力錘。本次試驗(yàn)是為了獲得尺寸質(zhì)量較小的組合梁結(jié)構(gòu)的固有頻率特性。因此,可以采用單點(diǎn)激勵、體積較小且質(zhì)量較輕的單向加速度傳感器,來進(jìn)行組合梁彎曲振動模態(tài)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用的兩塊鋼板為45鋼,根據(jù)文獻(xiàn)[13]提供的摩擦因素范圍,本文取摩擦系數(shù)為0.12,與預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析時設(shè)置相同。試驗(yàn)時設(shè)定螺栓擰緊力矩為4 N·m,采用自由懸掛錘擊法測試組合梁的模態(tài)參數(shù),實(shí)驗(yàn)原理與現(xiàn)場圖如圖6、圖7所示。

      圖6 實(shí)驗(yàn)原理圖

      圖7 實(shí)驗(yàn)圖

      首先在組合梁上下表面劃分3×9的網(wǎng)格,布置測點(diǎn)并標(biāo)記。采用多點(diǎn)激勵單點(diǎn)輸出方式,將力錘敲擊點(diǎn)確定在組合梁上表面的幾何中心網(wǎng)格處,使得測點(diǎn)關(guān)于敲擊點(diǎn)對稱。得到組合梁幅頻特性曲線,如圖8所示。采用模態(tài)最小二乘導(dǎo)納圓法擬合出組合梁前五階自由振動的頻率與預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析法得到的結(jié)果對比分析如表4所示。

      由表4可以看出,預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析與模態(tài)試驗(yàn)所得各階固有頻率之間存在一定的誤差,原因主要有以下幾個方面:① 模態(tài)分析建模時對組合梁作了相應(yīng)的簡化,且不計(jì)算其轉(zhuǎn)動慣量和剪切變形的影響;② 材料的彈性模量、質(zhì)量和密度等參數(shù)的取值以及邊界條件的設(shè)置有一定的偏差;③ 錘擊法模態(tài)試驗(yàn)通過敲擊向系統(tǒng)輸入的能量有限,因此其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度也有所下降。因此,此誤差還在接受范圍之內(nèi),這也證明了結(jié)合面非線性預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析有一定的可行性。

      表4 組合梁預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析和模態(tài)試驗(yàn)固有頻率(Hz)對比

      圖8 實(shí)測幅頻特性曲線

      圖9 模態(tài)試驗(yàn)振型與預(yù)應(yīng)力模態(tài)法振型對比

      提取試驗(yàn)所得組合梁第1和第3階彎曲振型,與上述用非線性預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析法所得振型對比,如圖9所示,發(fā)現(xiàn)二者振型相吻合。證明該非線性預(yù)應(yīng)力模型與實(shí)際情況相符合,具有一定的可信度。

      4 結(jié) 論

      (1)本文運(yùn)用結(jié)合面非線性預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析,證明了組合梁結(jié)合面的接觸非線性對組合梁的動態(tài)特性有重要的影響,尤其是高階彎曲模態(tài)。結(jié)合面會使組合梁的固有頻率降低。

      Application of direct peptide reactivity assay on cosmetics 11 19

      (2)結(jié)合面的法向載荷和摩擦系數(shù)都會使組合梁的固有頻率降低,其中摩擦系數(shù)影響因素占主導(dǎo)地位。摩擦系數(shù)對組合梁低階固有頻率影響較小,高階時影響較大。

      (3)模態(tài)試驗(yàn)所得組合梁第1和第3階彎曲振型與非線性預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析所得振型相吻合,且二者所得各階固有頻率之間的誤差在接受范圍之內(nèi),驗(yàn)證了所進(jìn)行的考慮結(jié)合面非線性特性的非線性預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析的可行性,為結(jié)合面的準(zhǔn)確建模和動態(tài)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

      參 考 文 獻(xiàn)

      [1]張學(xué)良,徐格寧,溫淑花.機(jī)械結(jié)合面靜動態(tài)特性研究回顧與展望[J].太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報,2002,23(3):276-281.

      ZHANG Xue-liang,XU Ge-ning,WEN Shu-hua.Review and prospect of the research on the static and dynamic [J].Journal of Taiyuan Heavy Machinery Institute,2002,23(3): 276-281.

      [2]Majumdar A,Bhushan B.Fractal model of elastic-plastic contact between rough surfaces [J].Journal of Tribology,1911,113: 1-11.

      [3]Greenwood J A,Williamson J B P.Contact of nominally flat surfaces [J].Proc.Roy.Soc.Lond: 1966,295:300-319.

      [4]尤晉閩,陳天宇.結(jié)合面靜態(tài)接觸參數(shù)的統(tǒng)計(jì)模型研究[J].振動與沖擊,2010,29(11):47-50.

      YOU Jin-min,CHEN Tian-yu.Statistical model for static contact parameters of joint surfaces [J].Journal of Vibration and Shock,2010,29(11): 47-50.

      [5]張廣鵬,史文浩,黃玉美.機(jī)床導(dǎo)軌結(jié)合面的動態(tài)特性解析方法及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報,2002,38(10):114-117.

      ZHANG Guang-peng,SHI Wen-hao,HUANG Yu-mei.Analysis method of dynamic behaviors of guidway joint and its appication in machine tools design [J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2002,38(10): 114-117.

      [6]Dhupia J S,Powalka B,Ulsoy A G,et al.Effect of a nonlinear joint on the dynamic perforbance of a machine tool [J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,2007,129(5):943-950.

      [7]Yang T C,Fan S H,Lin C S.Joint stiffness identification using FRF measurements [J].Computers and Structures,2003,81(28):2549-2556.

      [8]李小彭,王 偉,趙米鵲,等.考慮摩擦因素影響的結(jié)合面切向接觸阻尼分型預(yù)估模型及其仿真[J].機(jī)械工程學(xué)報,2012,48(23):46-50.

      LI Xiao-peng,WANG Wei,ZHAO Mi-que,et al.Fractal prediction modal for tangential contact damping of joint surface considering friction factors and its simulation [J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2012,48(23): 46-50.

      [9]閔加豐,朱海清.基于ANSYS Workbench有螺栓預(yù)緊力的沖壓法蘭有限元模態(tài)分析[J].鍛壓設(shè)備與制造技術(shù),2012,1:69-71.

      MIN Jia-feng,ZHU Hai-qing.FEM modal analysis for pressed flanges preload by bolt based on ANSYS Workbench [J].China Metal Forming Equipment and Manufacturing Technology,2012,1: 69-71.

      [10]張義民.機(jī)械振動[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

      [11]劉傳軍.現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)-全壽命周期性能與可靠性[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

      [12]Ewins D J.Modal testing: theory and practice [M].New York: Research Studies Press,1984.

      [13]葛世榮.摩擦學(xué)導(dǎo)論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

      猜你喜歡
      摩擦系數(shù)固有頻率螺栓
      M16吊耳螺栓斷裂失效分析
      隧道內(nèi)水泥混凝土路面微銑刨后摩擦系數(shù)衰減規(guī)律研究
      中外公路(2022年1期)2022-05-14 08:13:26
      摩擦系數(shù)對直齒輪副振動特性的影響
      現(xiàn)場測定大型水輪發(fā)電機(jī)組軸系的固有頻率
      預(yù)緊力衰減對摩擦型高強(qiáng)螺栓群承載力的影響
      四川建筑(2020年1期)2020-07-21 07:26:08
      螺栓緊固雜談
      總溫總壓測頭模態(tài)振型變化規(guī)律研究
      CSP生產(chǎn)線摩擦系數(shù)與軋制力模型的研究
      上海金屬(2014年3期)2014-12-19 13:09:12
      A novel functional electrical stimulation-control system for restoring motor function of post-stroke hemiplegic patients
      轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率設(shè)計(jì)研究
      东港市| 新干县| 凤台县| 桓仁| 临泽县| 铜川市| 鄯善县| 鲜城| 乌审旗| 陈巴尔虎旗| 徐汇区| 周口市| 如东县| 天门市| 紫云| 板桥市| 兰州市| 冀州市| 北碚区| 册亨县| 普兰店市| 德州市| 鹤峰县| 磐安县| 乡城县| 寿阳县| 商都县| 桂林市| 乌兰察布市| 厦门市| 济源市| 岗巴县| 信阳市| 钟祥市| 襄城县| 定边县| 涟水县| 巴林左旗| 子长县| 丰镇市| 铁力市|