专利名称：一种结合部法向刚度的估计方法
技术领域：
本发明属于机械设备测试测量技术领域，涉及一种结合部法向刚度的估计方法。
背景技术：
结合部对机床的静态及动态特性都有显著的影响。据统计，机床的静刚度中 30% -50%来源于结合部的刚度，机床的动柔度有60%以上是源自结合部，机床的阻尼值更是有90%以上来源于结合部的阻尼。现代机床设计，尤其是以高速、高精度和高效率为主要特征的高档数控机床设计，迫切地需要在图样设计阶段就能预知机床的动力学特性。但是，由于机床各部件之间存在着结合部，如螺栓结合部、导轨结合部和主轴系统结合部等， 而目前对结合部动力学机理的研究尚不成熟，结合部的性质主要依靠实验获得。理论研究需要对接触表面的高度分布规律做出分形或者统计假定，简化表面特征，获得的刚度数据通常在定性的趋势上与实验结果一致，数值上的误差则比较大。在没有样机的结构设计阶段，机床整机性能的预测十分困难，结合部问题是结构分析由单件走向整机的关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种结合部法向刚度的估计方法，该方法仅需测量工件接触表面的轮廓数据，建立有限元接触分析模型，通过计算工件在不同载荷下的变形获得结合部的刚度数据，与现有的理论解析方法相比，不需要对轮廓表面的统计规律或者分形规律做出假定和简化，提高了刚度数据的准确性；与现有的实验方法相比，由于只需要测量工件表面的轮廓数据，成本低，效率高。本发明所采用的技术方案是，一种结合部法向刚度的估计方法，按照以下步骤实施步骤1 使用表面轮廓仪分别测量两个工件接触表面的轮廓数据；步骤2 根据步骤1测得的轮廓数据建立有限元模型将一个工件的轮廓数据点用直线两两连接起来形成接触表面轮廓，其它非接触的三个边用直线连接，形成一个宏观上的四边形，另一个工件也用同样方法构造；然后在此基础上生成有限元网格，在两个粗糙接触表面之间生成接触单元，将下工件的下表面沿垂直方向约束，对上工件的上表面施加向下的均布的法向载荷；步骤3 计算结合部法向刚度计算不同法向载荷作用下的工件的法向变形，得到接触层的载荷-变形曲线的斜率，就是所估计的结合部的刚度。本发明的有益效果是，该方法通过表面形貌测量仪获得工件接触表面轮廓数据， 利用轮廓数据建立有限元分析模型，计算模型在法向载荷作用下的变形，进而得出结合部的法向接触刚度。与传统的通过实验获得结合部刚度的方法相比，该方法简单、高效。与理论解析方法相比，不需要对轮廓表面的统计规律或者分形规律做出假定和简化，提高了刚度数据的准确性。
图1是本发明方法建立的计算结合部刚度的有限元模型；图2是本发明方法建立的有限元模型在接触面附近的网格；图3是对照的实施例实验装置的原理图；图4是本发明方法得到的计算结果与实施例实验结果的比较曲线图。图中，1.上垫块，2.上胶层，3.上工件，4.下工件，5.下胶层，6.下垫块，7.位移传感器A，8.位移传感器B。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。本发明的结合部法向刚度的估计方法，按照以下步骤实施步骤1 使用表面轮廓仪分别测量两个工件接触表面的轮廓数据；步骤2 根据步骤1测得的轮廓数据建立有限元模型利用通用的有限元分析软件ANSYS11.0，将一个工件的轮廓数据点用直线两两连接起来形成接触表面轮廓，其它非接触的三个边用直线连接，形成一个宏观上的四边形，另一个工件也用同样方法构造；然后在此基础上生成有限元网格，在两个粗糙接触表面之间生成接触单元，参照图1、图2 ；将图1中的下工件4的下表面沿垂直方向支撑牢靠，对上工件3的上表面施加向下的均布的法向载荷，具体的有限元建模和计算方法参见文献{参照李景涌《有限元法》，北京邮电大学出版社，1999年，北京}；步骤3 计算结合部法向刚度计算不同法向载荷作用下的工件的法向变形，得到接触层的载荷-变形曲线的斜率，就是所求的结合部的刚度。实施例测试对象以45钢粗磨的工件，对本发明所采用的技术方案加以验证，考察计算模型和实验模型的载荷_变形曲线的斜率的一致性，即本发明方法估计的刚度与实际刚度的
一致性。首先，通过TR300型表面形貌测量仪测量上工件3和下工件4的接触表面，获得上工件3和下工件4的二维表面轮廓数据，利用通用的有限元分析软件ANSYS11. 0，将数据点用直线连接起来形成接触表面轮廓，然后建立粗糙表面接触的有限元模型，如图1和图2所示，对上工件3施加载荷和下工件4约束后计算不同载荷下工件的变形。图3是实验装置的原理图。上工件3和下工件4的直径均为25mm，高度均为25mm。 在两个工件之间逐步施加均布压力，直致均布压力为0. SMPa0为了测量方便，在工件靠近接触面设置有凸缘。位移传感器A7和位移传感器B8是两个旁式的电感式位移传感器，分别测量两个工件凸缘的上下表面位移，两个位移传感器测量结果的差值包含了两个工件基体的变形和接触层的变形，由于凸缘很薄，基体的变形所占比重很小，可以认为测量结果就是接触层的变形。挤压工件的集中载荷施加在上垫块1和下垫块6上，上垫块1和下垫块 6与上工件3和下工件4之间分别涂有上胶层2和下胶层5，使得传递到工件上的载荷趋于均勻。
图4是接触层的法向载荷与法向位移利用通用的有限元分析软件ANSYS11.0计算结果与实验结果的比较曲线图，图4中的两条曲线的斜率基本一致，表明采用本发明估计的刚度与实际刚度有较好的一致性。综上所述，本发明方法仅需测量工件接触表面的轮廓数据，通过建立有限元接触分析模型，即可计算工件在不同载荷下的变形获得结合部的刚度数据。与目前的理论解析方法相比，不需要对轮廓表面的统计规律或者分形规律做出假定和简化，提高了刚度数据的准确性。与实验方法相比，由于只需要测量工件表面的轮廓数据，成本低，效率高。
权利要求
1. 一种结合部法向刚度的估计方法，其特征在于，按照以下步骤实施 步骤1 使用表面轮廓仪分别测量两个工件接触表面的轮廓数据； 步骤2 根据步骤1测得的轮廓数据建立有限元模型将一个工件的轮廓数据点用直线两两连接起来形成接触表面轮廓，其它非接触的三个边用直线连接，形成一个宏观上的四边形，另一个工件也用同样方法构造；然后在此基础上生成有限元网格，在两个粗糙接触表面之间生成接触单元，将下工件的下表面沿垂直方向约束，对上工件的上表面施加向下的均布的法向载荷； 步骤3:计算结合部法向刚度计算不同法向载荷作用下的工件的法向变形，得到接触层的载荷-变形曲线的斜率， 就是所估计的结合部的刚度。
全文摘要
本发明的结合部法向刚度的估计方法，按照以下步骤实施1)使用表面轮廓仪分别测量两个工件接触表面的轮廓数据；2)根据步骤1测得的轮廓数据建立有限元模型，将一个工件的轮廓数据点用直线两两连接起来形成接触表面轮廓，其它非接触的三个边用直线连接，形成一个宏观上的四边形，另一个工件也用同样方法构造；然后在此基础上生成有限元网格，在两个粗糙接触表面之间生成接触单元将下工件的下表面沿垂直方向支撑牢靠，对上工件的上表面施加向下的均布的法向载荷；3)计算不同法向载荷作用下的工件的法向变形，得到接触层的载荷-变形曲线的斜率，就是所估计的结合部的刚度。本发明方法获得结合部的刚度数据精确度高，效率高。
文档编号G06F17/50GK102306219SQ201110246568
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月24日 优先权日2011年8月24日
发明者张慧军, 王世军, 缑鹏, 赵金娟, 马敬志 申请人:西安理工大学