[發(fā)明專(zhuān)利]一種利用頻響函數(shù)指標(biāo)辨識(shí)二維梁結(jié)構(gòu)剛度薄弱環(huán)節(jié)的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110497421.X
• 申請(qǐng)日: 2021-05-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113139316A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭鐵能;周成;彭立偉;孟令軍;華旭
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/23
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/23;G06F17/16;G06F17/14;G06F119/10;G06F119/14
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發(fā)明公開(kāi)了一種利用頻響函數(shù)指標(biāo)辨識(shí)二維梁結(jié)構(gòu)剛度薄弱環(huán)節(jié)的方法。該發(fā)明解決了對(duì)組合機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度薄弱環(huán)節(jié)辨識(shí)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。考慮了能等效為二維梁結(jié)構(gòu)的機(jī)床結(jié)構(gòu)，以梁結(jié)構(gòu)有限元模型為數(shù)值算例，利用狀態(tài)空間法獲取各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)，該方法利用頻響函數(shù)包含結(jié)構(gòu)信息的豐富性和剛度薄弱位置相對(duì)于相鄰位置剛度的變化來(lái)建立頻響函數(shù)的指標(biāo)。采用單元彈性模量E的減弱來(lái)模擬剛度薄弱環(huán)節(jié)，研究了梁結(jié)構(gòu)單個(gè)單元和兩個(gè)單元的剛度減弱和噪音參與的情況下頻響函數(shù)指標(biāo)的評(píng)估效果。該方法克服了有限元分析中結(jié)合面建模不準(zhǔn)確問(wèn)題，也能克服Update方法中算法收斂和盲目性問(wèn)題，同時(shí)便于工程應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提出了基于動(dòng)態(tài)測(cè)試法并利用頻響函數(shù)的新指標(biāo)來(lái)辨識(shí)二維梁結(jié)構(gòu)剛度薄弱環(huán)節(jié)的新方法，屬于機(jī)械振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域。

背景技術(shù)

機(jī)床優(yōu)良的加工性能與其剛度特性緊密相關(guān)。機(jī)床剛度不足會(huì)引起機(jī)床加工過(guò)程中的變形和振動(dòng)，這不僅會(huì)影響機(jī)床加工的各項(xiàng)精度和工件的表面質(zhì)量，而且還會(huì)降低生產(chǎn)效率和刀具的耐用度，甚至?xí)档蜋C(jī)床的使用壽命。因此在生產(chǎn)過(guò)程中就需對(duì)機(jī)床剛度薄弱環(huán)節(jié)有充分的了解，以便在最薄弱環(huán)節(jié)增加剛度。

現(xiàn)有辨識(shí)機(jī)床剛度薄弱環(huán)節(jié)的方法主要是靜剛度法與動(dòng)剛度法。靜剛度法又分為兩種，第一種是靜剛度測(cè)試法，主要是對(duì)機(jī)床的關(guān)鍵部位進(jìn)行載荷施壓，測(cè)量出機(jī)床各個(gè)結(jié)構(gòu)的變形量，通過(guò)選取折算中心，計(jì)算出變形量最大的結(jié)構(gòu)，即為機(jī)床剛度的薄弱環(huán)節(jié)。這種方法是通過(guò)施力物體對(duì)機(jī)床的關(guān)鍵部位施加靜力載荷，利用千分表或者電渦流傳感器記錄位移量。這兩種測(cè)試位移量的方法均需要選取測(cè)試參考點(diǎn)以及固定測(cè)試裝置的夾持裝置，但在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中由于機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，夾持裝置難以找到合適的位置安裝，而且選取的參考點(diǎn)也容易發(fā)生變形。第二種是通過(guò)有限元的靜力分析，計(jì)算出最大的變形位置。利用此種方法構(gòu)建的有限元模型在結(jié)合處建模的準(zhǔn)確性得不到保證，容易產(chǎn)生較大的誤差。

動(dòng)剛度測(cè)試法是將有限元模態(tài)分析與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析相結(jié)合的方法，利用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果不斷去修正有限元模型的參數(shù)，直到有限元模態(tài)分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果一致，然后利用最終的有限元模型進(jìn)行分析，獲取機(jī)床結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。此種方法需要構(gòu)建準(zhǔn)確的有限元模型，但由于結(jié)合面參數(shù)的復(fù)雜性與修正方法的復(fù)雜盲目性導(dǎo)致算法復(fù)雜，使得最終結(jié)果的準(zhǔn)確率大大降低。

工程應(yīng)用中需要快速簡(jiǎn)便準(zhǔn)確的方法定位機(jī)床剛度的薄弱環(huán)節(jié)，本文在Uriarte等建立的機(jī)床整機(jī)剛度鏈以及劉啟偉等用串聯(lián)剛度方法對(duì)機(jī)床進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)可等效為梁結(jié)構(gòu)的機(jī)床結(jié)構(gòu)，通過(guò)研究梁結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的評(píng)估方法來(lái)探索辨識(shí)機(jī)床剛度薄弱環(huán)節(jié)的方法。

梁結(jié)構(gòu)的剛度薄弱環(huán)節(jié)辨識(shí)可以轉(zhuǎn)化為梁結(jié)構(gòu)損傷位置的辨識(shí)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)損傷同樣會(huì)在損傷位置處造成剛度薄弱。目前應(yīng)用最多的辨識(shí)梁結(jié)構(gòu)損傷的方法主要是動(dòng)力法，它利用的是結(jié)構(gòu)損傷前后動(dòng)力參數(shù)的變化，如頻率、振型等一些表達(dá)結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)會(huì)隨著結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)生改變。然而利用頻率的方法對(duì)局部損傷不敏感，而且易受測(cè)試環(huán)境溫度的影響；利用振型的方法易受外界噪聲的影響，振型擴(kuò)展時(shí)也會(huì)造成結(jié)果的誤差。

頻響函數(shù)反應(yīng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，它包含的結(jié)構(gòu)信息要比其他參數(shù)更加豐富，同時(shí)它對(duì)于結(jié)構(gòu)局部剛度改變更加敏感。所以，提出基于動(dòng)態(tài)測(cè)試法并利用頻響函數(shù)的新指標(biāo)來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別梁結(jié)構(gòu)剛度薄弱環(huán)節(jié)是本專(zhuān)利的核心。

步驟一建立梁結(jié)構(gòu)的有限元模型

機(jī)床是一個(gè)質(zhì)量連續(xù)分布的彈性體，具有無(wú)限多個(gè)自由度，但在動(dòng)態(tài)分析中，可以根據(jù)機(jī)床的具體結(jié)構(gòu)，將機(jī)床離散成若干個(gè)集中質(zhì)量的子結(jié)構(gòu)，子結(jié)構(gòu)之間由等效彈簧和等效阻尼器聯(lián)接，構(gòu)成一個(gè)動(dòng)力學(xué)模型。文中考慮能等效為二維梁結(jié)構(gòu)的機(jī)床結(jié)構(gòu)。其中，可將子結(jié)構(gòu)之間的連接件等效為梁結(jié)構(gòu)剛度薄弱區(qū)，如圖1所示，區(qū)域a、b、c和d分別表示子結(jié)構(gòu)1、2、3和4中不含節(jié)點(diǎn)的區(qū)域，區(qū)域b_n表示節(jié)點(diǎn)的區(qū)域。

1.1二維梁?jiǎn)卧?/p>