專利名稱：計(jì)及彎矩影響的結(jié)合面有限元建模方法及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合面有限元建模方法及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置。
背景技術(shù)：
機(jī)械結(jié)構(gòu)的接觸面是指零件、組件、部件之間相互連接的表面，也稱為機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合面。機(jī)床的結(jié)合面表現(xiàn)為既有剛度又有阻尼的“柔性結(jié)合”的特性。結(jié)合面對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性有很大的影響，有可能成為 機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，因此在對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析時(shí)必須考慮結(jié)合面的影響。
結(jié)合面可能承受的載荷包括正向力、切向力、彎矩、扭矩或是它們的組合，在實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)中，承受單一載荷的結(jié)合面比較少。以往的結(jié)合面模型只考慮結(jié)合面承受正向力和切向力載荷時(shí)的情況，結(jié)合面可能存在的相對(duì)運(yùn)動(dòng)只有沿坐標(biāo)軸方向的相對(duì)移動(dòng)，因此只需要在沿坐標(biāo)軸的三個(gè)方向布置彈簧阻尼單元，設(shè)定彈簧的屬性，用彈簧阻尼單元兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)表示該方向的結(jié)合面屬性，通過(guò)設(shè)定兩點(diǎn)間彈簧阻尼單元?jiǎng)偠群妥枘嶂档拇笮≡O(shè)定結(jié)合面的等效剛度和阻尼值。
以往的結(jié)合面模型包括上、下接觸面，而上、下接觸面各包括4個(gè)頂點(diǎn)，如圖1所示。由于結(jié)合面處的質(zhì)量非常小，在動(dòng)力學(xué)分析時(shí)不考慮結(jié)合面質(zhì)量對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響，因此，上、下接觸面的8個(gè)點(diǎn)均采用無(wú)質(zhì)量點(diǎn)表示。在有限元建模時(shí)，采用ANSYS軟件的 MASS21單元?jiǎng)澐稚鲜?個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格，同時(shí)將MASS21單元的實(shí)常數(shù)設(shè)定為較小值，實(shí)現(xiàn)上述無(wú)質(zhì)量點(diǎn)的建立。其彈簧的布置形式如下在零件有約束面上的單接觸對(duì)，沿三個(gè)坐標(biāo)軸的方向分別布置C0MBIN14單元，設(shè)定彈簧的屬性，用彈簧阻尼單元兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)表示該方向的結(jié)合面屬性，再將單接觸對(duì)按多行、多列的形式布置，構(gòu)成結(jié)合面模型。
這種結(jié)合面建模形式只能模擬結(jié)合面承受正向力和切向力的變形特征，而對(duì)于同時(shí)承受正向力、切向力和彎矩的復(fù)合載荷情況，采用上述建模方法無(wú)法真實(shí)反映結(jié)合面的接觸狀況。另外，當(dāng)單元布置不合理時(shí)，可能導(dǎo)致有限元計(jì)算得到的振型和實(shí)際振型相差較大。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種計(jì)及彎矩影響的結(jié)合面有限元建模方法，以解決同時(shí)承受多種載荷尤其是承受正向力和彎矩組合載荷的機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合面建模問(wèn)題。本發(fā)明的目的還在于提供一種用于驗(yàn)證該方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種計(jì)及彎矩影響的結(jié)合面有限元建模方法，分別在矩形的上、下接觸面的各端點(diǎn)處建立硬點(diǎn)i，并分別將上、下接觸面分成面積相等的4個(gè)小矩形，在各小矩形對(duì)角線的交點(diǎn)處建立硬點(diǎn)i,，通過(guò)自由度耦合技術(shù)將i和i,的自由度全部耦合起來(lái)，不布置任何單元，在其余各處布置相應(yīng)類型的單元，模擬結(jié)合面或相對(duì)移動(dòng)或相對(duì)彎曲運(yùn)動(dòng)；該方法具體步驟如下
a)矩形上接觸面建模在矩形上接觸面各端點(diǎn)處建立硬點(diǎn)i(i = I, 2，……，4)，并將矩形上接觸面分成面積相等的4個(gè)小矩形，在各小矩形對(duì)角線交點(diǎn)建立硬點(diǎn)i' α =1,2,……，4)，將上述8個(gè)硬點(diǎn)1、2、3、4、Γ、2'、3'、4'采用MASS21單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格， 同時(shí)設(shè)定單元的實(shí)常數(shù)非常?。辉俨捎忙ⅵウˇ?88單元將矩形上接觸面各端點(diǎn)處的硬點(diǎn)按 I — 2 — 3 — 4 — I的順序依次連接起來(lái)，采用C0MBIN14單元將小矩形對(duì)角線交點(diǎn)處的硬點(diǎn)按I' —2' —3' —4' — I'的順序依次連接起來(lái)，形成回字形結(jié)合面模型，并將同一個(gè)小矩形內(nèi)的兩個(gè)硬點(diǎn)i(i = 1,2, 3,4)和i' (i = 1,2, 3,4)采用Couple DOF操作將其所有自由度f(wàn)禹合起來(lái)；
b)矩形下接 觸面建模在矩形下接觸面各端點(diǎn)處建立硬點(diǎn)i(i = 5，6，…，8)， 并將矩形下接觸面分成面積相等的4個(gè)小矩形，在各小矩形對(duì)角線交點(diǎn)建立硬點(diǎn)i' α =5，6，…，8)，將上述8個(gè)硬點(diǎn)5、6、7、8、5, ,61、V采用MASS21單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格， 同時(shí)設(shè)定單元的實(shí)常數(shù)非常?。辉俨捎肂EAM188單元將矩形上接觸面各端點(diǎn)處的硬點(diǎn)按 5 — 6 — 7 — 8 — 5的順序依次連接起來(lái)，采用C0MBIN14單元將小矩形對(duì)角線交點(diǎn)處的硬點(diǎn)按5' —6' —7' —8' —5,的順序依次連接起來(lái)，形成回字形結(jié)合面模型，并將同一個(gè)小矩形內(nèi)的兩個(gè)硬點(diǎn)i(i = 5,6,7,8)和i' (i = 5,6, 7,8)采用Couple DOF操作將其所有自由度f(wàn)禹合起來(lái)；
c)矩形上、下接觸面模型的建立將上、下接觸面對(duì)應(yīng)的硬點(diǎn)I與5、2與6、3與7、 4與8以及Γ與Y、2'與⑴與V A1與V采用C0MBIN14單元連接起來(lái)，最終形成計(jì)及彎矩影響的結(jié)合面模型。
本發(fā)明的目的還可以通過(guò)以下技術(shù)方案驗(yàn)證一種用于驗(yàn)證前述計(jì)及彎矩影響的結(jié)合面有限元建模方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置，包括實(shí)驗(yàn)試件、加速度傳感器、脈沖錘，其特征在于實(shí)驗(yàn)試件由上試件和下試件組成，上試件通過(guò)螺栓與下試件相連接，下試件通過(guò)螺栓固定在工作臺(tái)上，上試件的橫截面和縱截面均為長(zhǎng)方形，下試件的橫截面為凹槽形、縱截面為長(zhǎng)方形，上試件的長(zhǎng)度明顯大于下試件的長(zhǎng)度，裝配時(shí)，上試件與下試件的一端對(duì)齊，上試件的下表面與下試件的凹槽底面形成結(jié)合面，為模擬彎矩對(duì)結(jié)合面的影響，在上試件遠(yuǎn)離下試件的一端施加一集中力。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)與以往的結(jié)合面模型相比，本模型除了沿坐標(biāo)軸方向分別布置C0MBIN14單元模擬結(jié)合面正向力和切向力外，同時(shí)，把i和P (i = 1，2廣..，8)點(diǎn)通過(guò)自由度I禹合技術(shù)I禹合起來(lái),實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng),并在i (i = 1，2，…，8)點(diǎn)之間布置BEAM188單元，以模擬結(jié)合面受到的彎矩影響。因此，本發(fā)明能夠有效模擬結(jié)合面在承受正向力和彎矩組合作用時(shí)的結(jié)合面特性，從而為機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的準(zhǔn)確估算奠定了基礎(chǔ)。


本發(fā)明共有9幅附圖，其中
圖1是傳統(tǒng)結(jié)合面模型；
圖2是本發(fā)明接觸面單元布置圖3是本發(fā)明結(jié)合面模型；
圖4是本發(fā)明包含結(jié)合面模型的機(jī)構(gòu)模型；
圖5是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置示意圖6是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置上試件示意圖7是圖6的俯視 圖8是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置下試件示意圖9是圖8的俯視圖。
圖中i、ii、iii、iv、V、vi、vii、vii1-傳統(tǒng)結(jié)合面節(jié)點(diǎn)編號(hào)，1、2、3、4、5、6、7、8_矩形上接觸面各端點(diǎn)處硬點(diǎn)編號(hào)，Γ、2’、3'、4'、5'、6'、V、8'-各小矩形對(duì)角線交點(diǎn)處硬點(diǎn)編號(hào)，9-子結(jié)構(gòu)A，10-結(jié)合面模型，11-子結(jié)構(gòu)B，12-工作臺(tái)，13-下試件與工作臺(tái)聯(lián)接螺栓，14-下試件，15-上、下試件聯(lián)接螺栓，16-上試件，17-加速度傳感器，18-施力點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明
圖2 中 UPi' (i = 1，2，"·，4)均為無(wú)質(zhì)量節(jié)點(diǎn)，且 i 和 i' (i = l，2， ...，4)之間采用自由度耦合技術(shù)耦合起來(lái)。i α = 1，2，…，4)點(diǎn)之間布置ΒΕΑΜ188單元，模擬結(jié)合面承受彎矩時(shí)的屬性；i' (i = I, 2,…，4)點(diǎn)之間布置C0MBIN14單元,模擬結(jié)合面承受正向力和切向力時(shí)的屬性。
圖3 中 UPi' (i = 1，2，"·，8)均為無(wú)質(zhì)量節(jié)點(diǎn)，且 i 和 i' (i = l，2，...，8)之間采用自由度耦合技術(shù)耦合起來(lái)。i(i = 1,2, - ,8)點(diǎn)之間布置BEAM188單元，可以借助 ANSYS的SECDATA定義截面的形狀，通過(guò)求解梁?jiǎn)卧獜椥阅Ａ康姆绞角蠼饨Y(jié)合面等效彎曲剛度。i' (i = 1,2, -,8)點(diǎn)之間布置C0MBIN14單元，可以通過(guò)設(shè)定C0MBIN14單元的剛度和阻尼值，表征結(jié)合面的等效剛度和等效阻尼。
單元的具體布置方式如下將同一小矩形內(nèi)硬點(diǎn)i和P (i = 1,2, - ,8)的自由度采用自由度耦合技術(shù)全部耦合起來(lái)，但不布置任何單元，而在其他各點(diǎn)之間布置相應(yīng)類型的單元，模擬結(jié)合面或相對(duì)移動(dòng)或相對(duì)彎曲運(yùn)動(dòng)。其具體布置形式如下在點(diǎn)i(i = I, 2，- ,8)之間建立單元模擬結(jié)合面受到彎矩時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其處理方式與前面的單元處理方式相似，設(shè)定該單元只能模擬結(jié)合面在彎矩影響下的彎曲變化情況；在點(diǎn)i, α = 1,2,-,8)之間建立單元模擬三個(gè)方向相對(duì)移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并將上述單元屬性設(shè)定為只有該方向的運(yùn)動(dòng)，其它方向的載荷對(duì)該單元沒(méi)有影響。例如，用I'點(diǎn)和2 ^點(diǎn)之間的相對(duì)位移表示X方向的接觸面變形，且僅表示X方向的變形，通過(guò)設(shè)定彈簧單元的剛度和阻尼值模擬結(jié)合面在該方向上的等效剛度和等效阻尼。需要說(shuō)明的是，在上述模型中，沿某一坐標(biāo)軸方向的所有單元的屬性是相同的，如I ^點(diǎn)和2'點(diǎn)之間的單元屬性與3'點(diǎn)和4'點(diǎn)之間、5'點(diǎn)和6'點(diǎn)之間、7'點(diǎn)和8'點(diǎn)之間的單元屬性是相同的，且都表示X方向的結(jié)合面屬性。在結(jié)合面建模時(shí)，忽略結(jié)合面質(zhì)量對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響，因此所有的節(jié)點(diǎn)均采用無(wú)質(zhì)量單元建立，模型中其它各單元均設(shè)定質(zhì)量非常小。
采用上述結(jié)合面建模方法和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置，可以模擬結(jié)合面受到正向力和彎矩組合作用時(shí)的變化情況，滿足實(shí)際工況要求。由于本發(fā)明是基于結(jié)合面的實(shí)際受力情況提出， 單元的布置方式只與結(jié)合面受到的載荷有關(guān)，因此該模型可以模擬結(jié)合面承受任意載荷組合作用時(shí)的結(jié)合面特性。
圖4中，將子結(jié)構(gòu)A的下表面稱為上接觸面，將子結(jié)構(gòu)B的上表面稱為下接觸面， 分別在上、下兩個(gè)接觸面上布置硬點(diǎn)，建立結(jié)合面模型。
為方便結(jié)合面參數(shù)識(shí)別，設(shè)計(jì)了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置。上試件16的橫截面和縱截面均為長(zhǎng)方形。上試件的總長(zhǎng)度定為600mm,截面為70mmX80mm的矩形,上試件的長(zhǎng)度明顯大于下試件的長(zhǎng)度。下試件14的橫截面為凹槽形，其縱截面為長(zhǎng)方形。下試件的長(zhǎng)度為240mm(即結(jié)合面的長(zhǎng)度為240mm)。裝配時(shí),上試件與下試件的一端對(duì)齊,并采用6 個(gè)M12螺栓15將上試件和下試件聯(lián)接起來(lái)，同時(shí)用4個(gè)M24螺栓13將下試件聯(lián)接在工作臺(tái)12上。為研究彎矩對(duì)結(jié)合面的影響，將施力點(diǎn)18選在上試件上遠(yuǎn)離下試件的一端，在此點(diǎn)施加一集中力。上試件16劃分為等長(zhǎng)的6等份(包含等距離的7個(gè)點(diǎn))，進(jìn)行模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)時(shí)，將加速度傳感器17安裝在第6條等分線的中點(diǎn)上，用脈沖錘在上述7條等分線的中點(diǎn)上分別激振，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多次激振，定點(diǎn)拾振。
權(quán)利要求
1.一種計(jì)及彎矩影響的結(jié)合面有限元建模方法，其特征在于分別在矩形的上、下接觸面的各端點(diǎn)處建立硬點(diǎn)i，并分別將上、下接觸面分成面積相等的4個(gè)小矩形，在各小矩形對(duì)角線的交點(diǎn)處建立硬點(diǎn)i'，通過(guò)自由度耦合技術(shù)將i和i'的自由度全部耦合起來(lái)，不布置任何單元，在其余各處布置相應(yīng)類型的單元，模擬結(jié)合面或相對(duì)移動(dòng)或相對(duì)彎曲運(yùn)動(dòng)；該方法具體步驟如下 a)矩形上接觸面建模在矩形上接觸面各端點(diǎn)處建立硬點(diǎn)i(i= 1，2，…，4)，并將矩形上接觸面分成面積相等的4個(gè)小矩形，在各小矩形對(duì)角線交點(diǎn)處建立硬點(diǎn)i' (i =1，2，...，4)，將上述(1)、(2)、(3)、(4)、(廣)、(2' )、(3' )、(4' )8 個(gè)硬點(diǎn)采用 MASS21 單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，同時(shí)設(shè)定單元的實(shí)常數(shù)非常??；采用BEAM188單元將矩形上接觸面各端點(diǎn)處的硬點(diǎn)按(I) —(2) —(3) —(4) — (I)的順序依次連接起來(lái)，采用C0MBIN14單元將小矩形對(duì)角線交點(diǎn)處的硬點(diǎn)按(I' ) — (2' ) — (3' ) — (4' ) — (I')的順序依次連接起來(lái)，形成回字形結(jié)合面模型，并將同一個(gè)小矩形內(nèi)的兩個(gè)硬點(diǎn)i(i = 1,2, 3,4)和i' (i =1,2, 3, 4)采用Couple DOF操作將其所有自由度耦合起來(lái)； b)矩形下接觸面建模在矩形下接觸面各端點(diǎn)處建立硬點(diǎn)i(i = 5，6，…，8)，并將矩形下接觸面分成面積相等的4個(gè)小矩形，在各小矩形對(duì)角線交點(diǎn)處建立硬點(diǎn)i' (i =5，6，...，8)，將上述(5)、(6)、(7)、(8)、(5' )、(6' )、(7' )、(8' )8 個(gè)硬點(diǎn)采用 MASS21 單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，同時(shí)設(shè)定單元的實(shí)常數(shù)非常??；采用BEAM188單元將矩形下接觸面各端點(diǎn)處的硬點(diǎn)按(5) —(6) —(7) —(8) —(5)的順序依次連接起來(lái)，采用C0MBIN14單元將小矩形對(duì)角線交點(diǎn)處的硬點(diǎn)按(5' ) — (6' ) — (T ) — (8' ) — (5')的順序依次連接起來(lái)，形成回字形結(jié)合面模型，并將同一個(gè)小矩形內(nèi)的兩個(gè)硬點(diǎn)i(i = 5,6,7,8)和i' (i =5，6，7，8)采用Couple DOF操作將其所有自由度耦合起來(lái)； c)矩形上、下接觸面模型的建立將上、下接觸面對(duì)應(yīng)的硬點(diǎn)(I)與(5)、(2)與(6)、(3)與(7)、(4)與(8)以及(I')與(5' )、(2')與(6' )、(3')與(7' )、(4')與(8')采用C0MBIN14單元連接起來(lái)，最終形成計(jì)及彎矩影響的結(jié)合面模型。
2.一種用于驗(yàn)證權(quán)利要求I所述計(jì)及彎矩影響的結(jié)合面有限元建模方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置，包括實(shí)驗(yàn)試件、加速度傳感器、脈沖錘，其特征在于實(shí)驗(yàn)試件由上試件(16)和下試件(14)組成，上試件通過(guò)螺栓(15)與下試件相連接，下試件通過(guò)螺栓(13)固定在工作臺(tái)上，上試件的橫截面和縱截面均為長(zhǎng)方形，下試件的橫截面為凹槽形、縱截面為長(zhǎng)方形，上試件的長(zhǎng)度明顯大于下試件的長(zhǎng)度，裝配時(shí)，上試件與下試件的一端對(duì)齊，上試件的下表面與下試件的凹槽底面形成結(jié)合面，為模擬彎矩對(duì)結(jié)合面的影響，在上試件遠(yuǎn)離下試件的一端施加一集中力。
全文摘要
本發(fā)明提供一種計(jì)及彎矩影響的結(jié)合面有限元建模方法及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置，主要解決承受正向力、切向力和彎矩組合作用的結(jié)合面有限元建模問(wèn)題。其特征在于在矩形上接觸面各頂點(diǎn)建立硬點(diǎn)i(i＝1,2,…,4)，并將其分成面積相等的4個(gè)小矩形，在各小矩形對(duì)角線交點(diǎn)建立硬點(diǎn)i′。采用MASS21單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，分別用BEAM188和COMBIN14單元順次連接硬點(diǎn)i和i′點(diǎn)，形成回字形結(jié)合面模型，并通過(guò)Couple DOF操作將硬點(diǎn)i和i′所有自由度耦合。下接觸面按相同方式處理。最后用COMBIN14單元連接上、下接觸面對(duì)應(yīng)硬點(diǎn)。該方法及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置可模擬承受正向力和彎矩組合作用的結(jié)合面特性，克服了傳統(tǒng)方法只考慮正向力和切向力的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102982201SQ201210452179
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者吳鳳和, 許曉鵬, 宋文杰 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)