结合部虚拟材料参数的逆向优化识别方法

考虑结合部的有限元模型是准确分析、预测结构动态响应与振动控制的基础。以哑铃状结构实验模型为研究对象,采用虚拟材料层法对结合部进行等效参数化建模。综合模态实验数据和有限元优化仿真技术,提出了一种简单实用的结合部虚拟材料参数逆向优化识别方法。为关联有限元模型和实验数据,特引入基于仿真和实验固有频率之间差值最小化的目标函数。采用灵敏度法对整体结构模型做局部有限元反解,利用多目标遗传算法优化求解结合部虚拟材料参数。通过对比实验模型、正向模型和逆向模型得到的固有频率,验证了所提方法的正确性和可行性,并进一步探讨了不同预紧力矩对结合部虚拟材料参数的影响。     

引入各向同性虚拟材料的固定结合部模型

为提高整机的建模精度,提出利用各向同性虚拟材料假设的机床固定结合部动力学建模的解析法。将固定结合部的两个接触面的微观接触部分假设为一种虚拟的各向同性材料,虚拟材料与固定结合部两侧的零件皆为固定连接。通过增加一个元件可将含结合部的复杂部件等效为不含结合部的简单零件,达到将复杂的固定结合部问题简单化的目的。考虑固定结合部法向和切向特性的相互影响,应用赫兹接触理论和分形几何理论推导虚拟材料弹性模量、泊松比、厚度、密度等参数的解析解。将虚拟材料参数的解析解导入到有限元软件中,可获得整机的理论模态。对实验试件的理论模态与实验模态进行比较(相似振型定性比较,相应的固有频率定量比较)。比较结果表明:理论模态与实验模态的前6阶振型一致,理论模态与实验模态前6阶固有频率的相对误差在-8.1%~8.1%之间。验证虚拟材料参数解析解的有效性,虚拟材料模型可为计算机数控机床固定结合部的精确动力学建模提供一定的理论基础。     

虚拟功能梯度材料表征栓接结合部动态特性

为提高结合部的建模精度,提出虚拟功能梯度材料法表征栓接结合部的动态特性。首先,利用有限元法仿真栓接结合部在不同预紧力和不同接触区域的受力情况,采用多项式函数拟合出栓接结合部的接触压力分布模型,并根据压力分布规律,提出虚拟材料层的划分准则。然后,探索虚拟功能梯度材料属性(弹性模量、剪切模量、泊松比、密度以及虚拟层厚度)与有效接触区域内接触半径的关联关系,建立栓接结合部虚拟功能梯度材料模型。最终,通过具体算例将栓接结合部划分为2层、3层和4层,并依次确定各层虚拟材料的属性,利用ANSYS有限元中的APDL语言将虚拟功能梯度材料模型与连接结构耦合,建立考虑栓接结合部动态特性的整体结构有限元模型,并进行动态响应分析,将获得整体结构的频响函数与模态试验数据对比分析,发现4层虚拟材料明显与试验结果最为接近,最大误差出现在第2阶固有频率处,误差仅为2.4%。     

应用梯度连接层的层合电工钢梁螺栓结合部简化模型研究EI北大核心CSCD

表征电工钢片间螺栓结合部连接参数是进行铁心结构动力学分析的关键,针对现有变压器铁心动力学模型参数识别误差大的问题,提出了考虑螺栓结合面压强分布不均匀的梯度连接层模型。通过理论计算获得了螺栓结合部的压强分布,推导了梯度连接层弹性参数与螺栓结合部接触压强的关系式。在获得层合电工钢梁试件等效材料参数的基础上,对由螺栓连接的两根相同层合电工钢梁,建立了梯度连接层模型模拟层合电工钢梁之间的螺栓结合部。经模态对比修正了梯度连接层的弹性参数,修正后螺栓连接层合电工钢梁试验模态与计算模态的前8阶振型一致,对应固有频率的误差在1%以内,证明了梯度连接层模型的准确性。在变压器铁心中应用修正后的梯度连接层模型,能够提高建模精度。     

基于有限差分法的主轴-刀柄结合部刚度辨识

针对传统结合部参数辨识普遍存在缺失转角自由度的空间不完备问题,利用有限差分法估算转角自由度频响,从而建立了完备空间自由度的结合部参数辨识模型;基于残差补偿理论重构频响函数试验数据,降低了模态截断引起的测试误差,以避免辨识计算过程中试验测试噪声对辨识结果的影响,提高辨识精度.以主轴-刀柄系统结合部为对象,通过锤击试验获得各子结构及结合部的频响函数,利用子结构耦合法辨识出结合部等效动力学刚度,通过有限元法进行动力学建模与分析,验证辨识结果.对比试验与仿真结果验证了方法的可行性.     

基于DNN整机建模的滚珠丝杠进给系统关键结合部动态特性参数辨识EI北大核心CSCD

针对滚珠丝杠进给系统关键结合部动态特性参数的辨识精度不高等问题。提出利用可表征结合部动态特性参数与整机固有频率之间映射关系的深度神经网络(deep neural network, DNN)建立进给系统整机的等效动力学模型;结合进给系统固有频率的DNN预测值与实验模态分析值,采用粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)算法对进给系统关键结合部的不同方向的刚度、阻尼参数同时辨识。以自行设计制造的进给系统实验台为实例进行整机建模、实验、参数辨识等分析;最终的辨识结果达到很高精度,说明该方法是可行、有效的。     

一种静态转子系统连接参数辨识方法

针对转子系统连接参数辨识问题,研究一种转子系统连接参数的辨识方法。以某型含膜盘联轴器的转子试验器为研究对象,建立转子系统有限元模型,将支承刚度、支承位置和膜盘联轴器连接刚度作为辨识参数,并进行参数灵敏度分析。基于大量仿真样本,采用支持向量回归(SVR)算法建立连接参数和固有频率之间的计算代理模型。在模态试验基础上,采用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II),基于多阶固有频率建立多目标函数,利用多目标优化法,寻找转子连接参数在修正区间中的Pareto最优解,最终识别出转子系统的多个连接参数。与试验结果相比,修正后的动力学模型固有频率仿真结果:第1阶的精度达到97.62%;第2阶的精度达到99.70%。     

基于OMA试验模态参数的砌体结构有限元建模及修正

依托重庆新红岩隧道工程,选典型2层砌体结构进行隧道施工爆破振动激励的OMA试验,采用等效体积单元法建立能准确反映砌体结构真实动力特性的有限元模型;探讨砌体用不同材料模型所得分析频率与实测频率误差及二者振型相关性;据OMA试验模态参数,基于砌体与混凝土材料参数的结构固有频率灵敏度分析,选择合适的修正参数进行有限元模型修正研究。结果表明,二层砌体结构前4阶固有频率位于9~25 Hz;较用各向同性模型而言,砌体采用各向异性模型时计算所得前4阶频率与实测频率值更接近,振型相关性更好;修正有限元模型中材料密度、弹性模量、剪切模量后频率与实测频率间误差明显减小,结构模型动力特性更符合实际,正交各向异性材料模型修正最准确。     

滚珠丝杠进给系统动力学建模与动态特性分析

考虑滚珠丝杠进给系统中各结合面接触刚度的影响,提出一种有限元建模方法,用于研究滚珠丝杠进给系统的动态特性。将丝杠螺母、导轨滑块和滚动轴承简化为弹簧-质量模型。基于Hertz接触理论推导出其接触刚度的计算公式,采用多单元混合的方法划分网格,建立整个进给系统的有限元模型,仿真得到承载台的前五阶模态振型和固有频率;采用锤击激励法对滚珠丝杠进给系统进行模态试验,试验结果表明仿真和试验得到的模态振型基本一致,固有频率的最大误差为8.9%;基于该有限元模型分析了主轴质量、滚动导轨副预紧力以及滑块间距对进给系统振型分布和固有频率的影响。所提出的动力学建模方法和研究结果对滚珠丝杠进给系统的动态特性分析和结构优化具有参考价值。     

基于模态分析理论的结合部动刚度辨识EI北大核心CSCD

结合部动力学特性对机械系统动力学性能具有显著影响,结合部动力学信息的准确辨识是组合结构动力学建模的重要前提。基于模态分析理论对结合部动刚度辨识方法进行了深入研究:首先,建立了包含结合部动力学信息的广义动力学模型,从模态分析理论出发,讨论了结合部动力学特性对组合结构固有频率的影响,建立了两者的映射关系;进而,采用质量单元与弹簧阻尼单元建立了理想的动力学有限元模型,通过模态分析所得的固有频率对结合部刚度进行辨识,辨识值与理论值之间最大误差为1.92%;最后,对螺栓连接组合结构进行了模态试验,以所测得的法向及切向典型振型对应固有频率为指标,通过搭建的MATLAB-ANSYS集成平台对螺栓结合部刚度进行辨识,并将所辨识的结合部刚度录入有限元模型,栓接结构固有频率的有限元预测值与实测值之间最大误差率为3.01%;数值模拟试验与现场模态试验的辨识效果均较为理想,验证了方法的可行性。同时,以栓接结构典型振型对应固有频率为指标辨识的结合部动力学刚度信息很好预测其他各阶固有频率的分布,表征和印证了栓接结构在较大预紧力作用下,螺栓结合部非线性动力学特性得到了抑制,满足线性条件假设。     

基于模态分析理论的结合部动刚度辨识

结合部动力学特性对机械系统动力学性能具有显著影响,结合部动力学信息的准确辨识是组合结构动力学建模的重要前提。基于模态分析理论对结合部动刚度辨识方法进行了深入研究:首先,建立了包含结合部动力学信息的广义动力学模型,从模态分析理论出发,讨论了结合部动力学特性对组合结构固有频率的影响,建立了两者的映射关系;进而,采用质量单元与弹簧阻尼单元建立了理想的动力学有限元模型,通过模态分析所得的固有频率对结合部刚度进行辨识,辨识值与理论值之间最大误差为1.92%;最后,对螺栓连接组合结构进行了模态试验,以所测得的法向及切向典型振型对应固有频率为指标,通过搭建的MATLAB-ANSYS集成平台对螺栓结合部刚度进行辨识,并将所辨识的结合部刚度录入有限元模型,栓接结构固有频率的有限元预测值与实测值之间最大误差率为3.01%;数值模拟试验与现场模态试验的辨识效果均较为理想,验证了方法的可行性。同时,以栓接结构典型振型对应固有频率为指标辨识的结合部动力学刚度信息很好预测其他各阶固有频率的分布,表征和印证了栓接结构在较大预紧力作用下,螺栓结合部非线性动力学特性得到了抑制,满足线性条件假设。     

基于CAE/CAT/CAO的齿轮箱轴承结合部等效刚度识别方法

基于CAE/CAT/CAO技术,提出一种有限元模态分析、试验模态分析与Isight集成优化方法相结合的精确识别轴承结合部等效刚度的方法:1采用Abaqus有限元分析软件建立齿轮箱有限元分析模型,通过spring单元模拟轴承三个方向的等效刚度,并将其作为设计变量;2基于LMS模态测试分析系统对齿轮箱进行试验模态分析,得到包含轴承结合部信息的各阶固有频率和振型,并以试验模态分析得到的固有频率值作为优化目标值;3通过Isight软件集成Abaqus对轴承刚度进行寻优,使有限元模态分析的结果与试验模态分析的结果相一致。分析结果表明,该方法综合考虑了齿轮轴、箱体的柔性,具有较高的精度,优化后的齿轮箱有限元模型与试验模型动态性能一致性好。     

基于近似模型的大型汽轮发电机定子端部绕组动力响应预测研究

针对电磁力作用下大型汽轮发电机定子端部绕组动力响应建模及计算复杂问题,提出一种基于数据驱动的支持向量回归动力响应预测方法。通过少量典型样本构建某600 MW汽轮发电机动力响应近似模型,从而代替复杂耗时的有限元模型预测不同结构参数下的动态性能。以端部绕组鼻端位移峰值作为动力响应的关键指标,首先选取绑环刚度、径向支架刚度以及滑销和径向支架之间的固定约束数目为设计变量,通过正交试验设计获取样本,在ABAQUS软件中分别建立试验样本对应的有限元模型,再对其进行计算获得鼻端位移时程曲线;然后通过遗传算法对支持向量机中的参数寻优构建端部绕组动力响应的近似模型,对比结果显示,该近似模型精度优于基于响应面法和克里金插值法构建的预测模型;最后基于近似模型探讨了设计参数对鼻端位移峰值的影响规律。该方法可用于后续的优化设计以及装备数字孪生系统中电气和力学性能的实时求解与计算。     

螺栓连接框架结构的有限元模型修正

综合运用有限元仿真、试验模态测试和模型修正技术,对一个由螺栓连接的三层框架结构进行了动力学特性分析和响应预测,并对其中涉及到的相关问题进行了讨论。首先,采用不同类型单元分别建立结构的实体有限元模型、板-梁有限元模型以及三自由度集中参数模型,并进行模态计算。然后,对实际结构进行模态测试,并将三类模型的计算结果与测试数据进行对比,分析不同类型单元所建立模型的异同以及由螺栓连接的复杂性、加工装配的误差和材料参数的不准确等不确定因素对建模及计算误差所造成的影响,从而确定合理的修正参数。接着,用模态测试数据对模型参数进行修正,使得修正后的模型能够准确反映实际结构的固有频率和振型。最后,将测试获取的阻尼参数加到修正后的模型上,进行冲击激励下的响应预测,并与实际结构的测试结果进行对比,取得了满意的结果。     

带冷却系统的XK717数控铣床主轴部件热特性分析

机床主轴系统是机床的核心部件，其热特性的好坏，直接影响机床的加工精度；以建立主轴系统的有限元模型，结合主轴系统与普通水箱之间的冷却模型，对带有冷却套的主轴系统进行了热特性分析，得出了主轴系统的热特性曲线；根据分析结果，对XK717数控铣床主轴部件冷却套的布局进行了改进设计，为优化数控铣床主轴系统提供了理论依据。     

机载电子设备中印制板边界条件的识别

在机载电子设备机箱中，印制板通过插座和锁紧机构固定在机箱内。印制板与机箱的这种连接方法，给它的边界条件的确定带来了极大的困难。根据机载电子设备中印制板有限元动力学模型与模态试验的固有频率之差，建立了印制板边界参数识别的优化模型，并采用信赖域法中的Levenberg-Marquardt法，求解上述优化问题。验证试验结果表明，提供的印制板边界条件识别方法是有效的，识别的印制板边界参数完全可以用于印制板的动力学分析与设计。     

机枪结构动态特性的优化研究

利用Ansys有限元分析软件对建立的有限元模型进行了模态分析,通过对设计变量、状态变量和目标函数的合理选择建立了优化模型,对机枪的机构参数进行了优化.建立了某机枪的有限元实体模型,在模态分析的基础上优化武器的机构动态特性.求解了机枪的自由模态参数,与试验模态分析所得到的模态参数进行了对比验证,通过结构优化得到了结构修改方案.机枪的有限元模型通过优化结构参数提高了机枪的结构动态特性,武器的射击频率与机枪整体结构的固有频率匹配更加合理,提高了武器的射击精度.     

考虑弯曲效应的弯管高精确度模态分析

基于塑性理论和有限元软件ANSYS,考虑弯曲效应对各种不同材料参数、不同直径、不同弯曲半径和弯曲角度的弯管固有频率和振型的影响,建立了高精度弯管有限元模型进行模态分析,并利用实验结果进行验证.研究表明,考虑弯曲效应后的有限元模型计算结果更接近实验结果,特别是第一阶固有频率和振型的精度得到了提高,说明应用该模型可以得到高精度的弯管模态.     

带滚珠丝杠副的精密定位平台轴向刚度建模与测试

为了满足大尺寸光栅拼接架五维调整的要求,在每个方向上设计了由滚珠丝杠副组成的精密定位平台。精密定位平台中的可动结合部刚度特性决定了平台的定位性能。基于赫兹接触理论以及虚拟材料参数化建模方法分别建立了平台轴向静刚度的力学模型和有限元模型,并进行了对比分析。最后通过实验验证了两种建模方法的合理性。     

硅橡胶减振器的有限元建模与动态特性分析

建立硅橡胶的有限元模型,以固有频率为评判标准,选择可靠的非线性瞬态分析方法以及硅橡胶超弹性本构模型对其进行动态特性分析。首先建立减振系统的有限元模型,通过理论分析,选用单步Houbolt法计算了常用的橡胶超弹性本构模型对应的减振器的加速度响应,然后进行傅里叶变换,从而提取出固有频率;接着通过基于锤击法自主研制的振动测试系统进行实验测得减振器固有频率。两者结果比较验证了单步Houbolt法的可靠性,同时表明用Signiorini模型模拟硅橡胶材料的动态特性是更为合理的。在此基础上,分析了硅橡胶减振器轴向尺寸和径向尺寸参数对其动态特性的影响,从而为硅橡胶减振器的设计与应用提供了理论依据。