[發(fā)明專利]一種針對雙面鎖緊刀柄-主軸在高轉(zhuǎn)速條件下的結(jié)合部剛度分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610985606.4
• 申請日: 2016-11-09
• 公開（公告）號: CN106525418B
• 公開（公告）日: 2019-09-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙永勝;許靜靜;劉志峰;蔡力鋼;程強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01M13/027
• 分類號: G01M13/027
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種針對雙面鎖緊刀柄-主軸在高轉(zhuǎn)速條件下的結(jié)合部剛度分析方法，該方法采用結(jié)合三維分形微觀接觸剛度建模理論與有限元靜力分析的方法，對高轉(zhuǎn)速條件下的雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度建模，并加以分析，從而揭示不同轉(zhuǎn)速、拉刀力、碟簧剛度及碟簧預(yù)緊力工藝參數(shù)對結(jié)合部剛度的影響趨勢；

其特征在于：

S1、同時考慮彈塑性變形與域拓展因子的影響，得到了精確的三維分形理論，并基于該理論建立了接觸法向與切向剛度模型；

S2、對雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)建立三維幾何模型，并添加接觸單元，進(jìn)行有限元靜力分析，提取雙結(jié)合面各節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)值，通過乘以網(wǎng)格面積獲得各節(jié)點(diǎn)所在局部區(qū)域的結(jié)合面壓力值；

S3、基于三維分形微觀接觸剛度建模理論，以節(jié)點(diǎn)局部區(qū)域結(jié)合面壓力值作為輸入計(jì)算各節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的結(jié)合面接觸法向與切向剛度值；

S4、建立各節(jié)點(diǎn)對應(yīng)法向剛度、切向剛度與雙結(jié)合面扭轉(zhuǎn)剛度、徑向剛度的轉(zhuǎn)換模型，計(jì)算出結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度值；

S5、通過求取不同轉(zhuǎn)速及高轉(zhuǎn)速條件下不同拉刀力、碟簧預(yù)緊力、碟簧剛度對應(yīng)的結(jié)合部剛度值，揭示了轉(zhuǎn)速、拉刀力、碟簧剛度與碟簧預(yù)緊力對結(jié)合部剛度的影響趨勢；

步驟(1)建立三維法向及切向剛度模型；

基于M-B分形理論，結(jié)合赫茲理論，同時考慮彈塑性變形和域拓展因子ψ，通過對處于不同變形區(qū)域的單個微凸體法向載荷進(jìn)行積分可得到總彈性法向載荷、彈塑性法向載荷及總塑性法向載荷分別如下：

其中H_G1,H_G2均為與材料屬性及結(jié)合面分形參數(shù)相關(guān)的系數(shù)，

H為較軟材料的硬度，H＝2.8Y，Y為屈服強(qiáng)度值；k為與泊松比相關(guān)的參數(shù)，k＝0.454+0.41ν；則結(jié)合面總法向載荷表示為F＝F_e+F_ep+F_p；

法向剛度建模中，在彈性變形與彈塑性變形區(qū)域法向接觸剛度分別為：

切向剛度建模中，在彈性變形與彈塑性變形區(qū)域切向接觸剛度分別為：

式中G'為結(jié)合部等效剪切模量，1/G'＝(2-ν₁)/G₁+(2-ν₂)/G₂；H₁,H₂通過公式得到；

綜上，結(jié)合面法向與切向總接觸剛度分別為：K_n＝K_ne+K_nep，K_t＝K_te+K_tep；步驟(2)有限元靜力分析；

對雙面鎖緊刀柄-主軸系統(tǒng)建立三維幾何模型，通過采用TARGE目標(biāo)單元與CONTAC接觸單元建立雙結(jié)合面接觸對，采用映射方式對雙面刀柄劃分網(wǎng)格，對主軸進(jìn)行軸向固定約束，在刀柄小端施加拉刀力，對系統(tǒng)整體施加轉(zhuǎn)速約束，進(jìn)行靜力分析；在分析結(jié)果中分別提取錐面結(jié)合面和端面結(jié)合面上的節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)值，并計(jì)算在各節(jié)點(diǎn)所在網(wǎng)格所在局部區(qū)域結(jié)合面壓力值；

步驟(3)計(jì)算雙結(jié)合面上各節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的等效法向與切向剛度；

將錐面與端面結(jié)合面節(jié)點(diǎn)所在部分壓力值代入結(jié)合面分形法向與切向剛度模型中，計(jì)算雙結(jié)合面上各節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的等效法向及切向剛度值；

步驟(4)計(jì)算結(jié)合部徑向與扭轉(zhuǎn)剛度；

由于錐形結(jié)合面和端面結(jié)合面均為旋轉(zhuǎn)對稱面，因此分別建立沿y方向的徑向剛度及繞y軸的扭轉(zhuǎn)剛度模型如下：

式中n_T，n_E分別為錐面接觸面和端面接觸面節(jié)點(diǎn)數(shù)目；分別為錐面結(jié)合面節(jié)點(diǎn)法向剛度和切向剛度；分別為端面結(jié)合面法向剛度與切向剛度；θ為接觸面節(jié)點(diǎn)位置角度；分別為錐面結(jié)合面和端面結(jié)合面節(jié)點(diǎn)與x軸間的距離；

步驟(5)揭示轉(zhuǎn)速與拉刀力對結(jié)合部剛度的影響；

計(jì)算不同轉(zhuǎn)速條件下結(jié)合部扭轉(zhuǎn)與徑向剛度值，揭示轉(zhuǎn)速對結(jié)合部剛度的影響趨勢。