基于虚拟材料层和孪生有限元模型的机床主轴固定结合部动力学建模

针对主轴系统固定结合部传统弹簧阻尼单元法等效建模精度较低的问题，采用虚拟材料层法建立主轴系统固定结合部的孪生物理模型，对模型进行有限元分析计算，以虚拟材料层相关参数(弹性模量、密度、泊松比)作为输入，计算机床主轴的固有频率，并以此数据样本训练深度神经网络，建立主轴系统的孪生有限元模型。采用粒子群优化算法，以虚拟材料层相关参数为优化变量，以孪生有限元模型计算的理论固有频率与对应试验值的相对误差最小为目标函数，优化确定虚拟材料层的相关参数。以VMC850E型立式加工中心主轴的刀柄-夹头-刀具系统两个固定结合部为实例进行了建模、试验、参数识别等分析，分析结果表明，该方法是可行的、有效的，建模精度达到了1%以内。     

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%。     

基于遗传算法的材料特性参数的辨识

为了得到一个相对精确的材料特性参数,引入遗传算法(GA)到有限元模型更新的应用中,以一个简单的转轴模型为例,以模态实验得到的固有频率数据和模型输出数据之间的误差建立遗传算法的目标函数,以材料的特性参数为更新参数,对该转轴的有限元模型进行了修正,辨识出了材料的特性参数.然后通过比较由修正后的模型计算得到的频率响应函数(FRF)和模态实验得到的FRF,检验了基于GA辨识的有效性.最后比较了模型计算得到的固有频率、FRF和模态实验,结果表明吻合性非常好.     

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。     

基于频率灵敏度方法的宏微运动平台连接架结构优化

连接架与驱动设备频率相近而发生共振,将影响宏微运动平台的稳定工作和超精密定位的实现.为避免共振,本文以连接架为研究对象,搭建连接架固有频率有限元分析模型,并对有限元模型进行实验验证.然后,基于频率灵敏度方法对有限元模型结构参数进行摄动,通过分析刚度和第1阶固有频率对结构参数的灵敏度,进行设计变量选择,再以连接架质量为约束条件,将连接架第1阶固有频率倒数作为目标函数,对连接架优化模型进行优化并进行实验验证.通过优化,连接架第1阶固有频率得到了有效的提高,避免了连接架与音圈电机发生共振,从而为宏微运动平台稳定工作和超精密定位提供可靠依据.     

基于复合优化方法立式数控加工中心的多目标优化设计

为实现加工中心动静态性能不低于优化前性能,达到整机重量最轻的要求,本文提出了一种复合优化方法来研究多变量、多约束和多目标的数控加工中心优化设计。采用有限元分析和实验模态测试方法分析各大件动态性能,并验证了有限元模型的精确性。然后以该有限元模型为基础进行静态分析,得出各大件的最大变形及应力等。以柔度为目标,采用变密度法拓扑优化设计立柱结构的外形框架;以固有频率为目标,基于元结构的可适应性动态优化方法设计加工中心的筋板结构;以固有频率和质量为目标,基于响应面法的尺寸优化确定各结构的最优尺寸。最后将优化后的各大件进行整机装配,分析校核整机动静态性能。分析结果表明,优化后的整机在保证加工中心动静态性能的条件下,整机质量从12749kg减少到12127kg,减重达到4.9%,达到了整机的优化设计要求,说明该方法具有较高的精度和较强的工程实用性。     

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。     

栓接结合部动态特性参数辨识新方法

利用频响函数法辨识栓接结合部等效动力学参数时,由于实验测量、噪声干扰及数值运算(矩阵求逆)等所致误差,使辨识结果出现不适定性。为避免此问题的产生,使辨识结果能真实反映栓接结合部动态特性,提出新的辨识方法。建立含栓接结合部的整体结构有限元模型,据栓接结合部不同等效刚度与等效阻尼与整体结构归一化频率关系,确定栓接结合部等效刚度与等效阻尼的取值范围,并取该范围的平均值为初值,以实验与仿真整体结构频响函数误差最小为目标确定栓接结合部等效刚度与等效阻尼值。通过实验研究及与文献[16]结果比较表明,采用该方法可达准确辨识栓接结合部等效参数之目的。     

基于灵敏度及层次分析法的键合头多目标结构优化

为满足保证键合头动态特性、避免共振条件下达到结构轻量化设计要求,提出基于灵敏度计算参数优选及基于层次分析法最优解提取相结合的多目标优化设计方法。通过有限元仿真计算与模态实验结合研究键合头动态特性验证有限元模型精度。针对拾取臂部件设计参数进行灵敏度分析并提取优化设计变量。用多目标遗传优化算法对拾取臂以一阶固有频率、结构质量为目标优化计算,用层次分析法优选出最佳优化方案。结果表明,优化后拾取臂一阶固有频率提高27.1%,结构质量减轻8.9%,且键合头已避开共振频段达到设计要求。该研究方法具有较高的精度及应用价值。     

汽轮机长叶片的物理模型实验修正

本文在原汽轮机９００ｍｍ长叶片自由状态下三维单元模型的基础上，以固有频率为响应数据及表征叶片分段厚度的分段整体弹性模量Ｅ为结构参数对叶片叶进行了灵敏度分析，并根据实验模态分析数据，采用贝叶斯原理对叶片有限元模型进行了修正。     

含焊接残余应力的结构模型参数修正研究

提出考虑焊接残余应力的结构模型参数修正方法。在预应力分布模型基础上建立含焊接残余应力的结构刚度矩阵方程,分析了焊接残余应力对结构刚度及结构振动特性的影响;以消除焊接残余应力对数值计算规模和计算精度的影响为目标。应用结构优化算法,以结构固有频率残差最小化为目标,开展有限元模型的结构参数修正研究;最后,以圆柱壳结构为例,实施基于结构模型参数修正的优化计算,验证方法的可行性。     

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.     

紧缩场蜂窝夹层反射面板材料参数优化反求

紧缩场高精度蜂窝夹层结构反射面板由经特殊工艺处理的铝蜂窝芯和表层铝板胶接而成 , 解析计算和材料力学性能试验很难准确获得该夹层板的材料性能参数。本文中采用数值2试验混合模型方法对该种夹层板的等效材料性能参数进行了优化反求。正向分析采用有限元方法 , 逆向分析采用遗传算法和梯度法组合优化算法。正、 逆分析过程的无缝集成和组合优化算法策略使反求效率明显提高。试验验证表明 , 采用反求方法获得的材料性能参数能够精确反应该夹层板的弹性本构关系 , 建立在该材料参数基础上的有限元模型具有理想的精度。     

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。     

GA-SA算法在有限元模型更新中的应用

有限元模型的更新旨在最小化实验结果和仿真结果之间的差异,因此可以被看作一个优化问题.引入混合优化算法GA-SA到一个过盈热套配合的转轴有限元模型更新中,该算法由遗传算法(GA)和模拟退火算法(SA)构成.以转轴上安装有质量套筒处轴段的有效刚度直径为更新参数,以轴系的前4阶实验固有频率和计算的固有频率之间的绝对误差建立优化算法的目标函数,比较了初始有限元模型输出、经GA-SA、GA、SA优化后的有限元模型输出和实验结果之间的差别.同时还通过比较更新模型输出的频率响应函数与模态实验的频率响应函数之间的差异来检验模型更新的有效性.结果表明GA,SA和GA-SA都是很强的优化算法,可以成功地应用于有限元模型更新,经优化算法更新后的模型能够给出比初始模型更接近于实验结果的输出,但是基于GA-SA的更新模型能够给出比基于GA或者SA的更新模型更接近于实验结果的固有频率和频率响应函数输出.     

基于频响函数法的固定结合部参数辨识研究

针对频响函数法在辨识固定结合部参数时由于实验噪声引起的不适定问题,提出对结合部模型中各参数单独分析、单独辨识的方法。利用频响函数法建立固定结合部模型,辨识模型参数时先通过遗传算法寻优得到的结合部参数作为初值,仅改变其中某一参数的大小对整体结构进行模态分析,确定该参数在每一阶模态处的灵敏度。在最灵敏的模态处辨识该参数,以此类推辨识出所有结合部参数。仿真与实验结果表明,采用该方法辨识的结合部参数所预测的整体结构的频响函数曲线与实验测试的频响函数曲线的一致性较好,结合部参数辨识结果具有较高的精度。     

层合板频率响应与声功率双目标优化设计

利用遗传算法对复合材料层合板结构的固有频率间隔和辐射声功率进行双目标优化设计。利用分层理论结合有限元模型求解层合板的固有频率和振速分布。通过声辐射模态理论,计算层合板结构辐射声功率。以铺设角度作为设计变量,第一阶与第二阶固有频率间隔和辐射声功率作为双目标优化目标函数,以某4层的层合板结构为例,采用目标加权法优化目标函数。研究了不同权重系数、不同频率时固有频率间隔最大化和声功率最小化对应的优化铺设角度。由数值分析结果可知:不同的权重系数比下获得的Pareto最优解不同;在同一权重系数下,两个优化目标所起的作用不尽相同;随着频率的增加,选择相对较大的权重系数可使Pareto最优解较好地兼顾两个优化目标。     

考虑材料参数不确定性结构动力学稳健性拓扑优化设计

本文在考虑材料参数不确定性的条件下,对连续体结构动力学稳健性拓扑优化设计进行研究。在使结构的第一阶固有频率最大化的同时,显著减小其对材料性能不确定性的影响。基于非概率凸集模型,将材料参数的不确定性用有界区间变量表示;建立了能够抑制频率改变的结构动力学拓扑优化模型,用单层优化策略求解稳健性优化设计问题。通过对材料参数的导数分析,获得了在材料性能不确定情形下结构第一阶固有频率的二阶泰勒展开式,并推导出了频率对拓扑变量的一阶灵敏度显性表达式。基于变密度法,开展了结构动力学稳健性拓扑优化设计,并与确定性优化结果进行对比,验证了用本文方法获得的结构第一阶固有频率稳健性更高,受材料参数不确定性扰动影响更小,展示了考虑材料参数不确定性的重要性。