機械結合面基礎特性參數的理論、實驗和建模研究.pdf

1、裝備制造業(yè)是為國民經濟發(fā)展和國防建設提供技術的基礎性產業(yè)。近幾年，隨著現代機械日益向高速、高效、高精度和大型集成化發(fā)展，對機床等機械設備整機特性研究提出了更高的要求。因為機械零部件之間的結合面性能對整機裝備的靜、動態(tài)特性、抗振性、運動響應敏捷性等性能有重要影響，因而結合面特性參數的研究對于提升高端裝備制造具有重要理論意義和應用價值。本文圍繞結合面基礎特性參數，從表面形貌描述和表征、實驗平臺設計與搭建、結合面微觀接觸建模和分析、結合面接觸

2、特性的預測仿真等幾個方面進行研究。
　　進行了機械加工表面形貌的測量、描述和表征研究。通過表面形貌測量儀測量了實際加工粗糙表面的二維和三維形貌。根據機械加工表面具有統(tǒng)計自相似和尺度不變性的結構，應用M-B分形函數模擬了不同維數下的表面粗糙形貌，并對分形理論表現的自仿射性、尺度不變性等進行了研究。通過幾種獲得粗糙表面分形維數方法的計算誤差比較，得出用小波變換的方法計算分形維數精度最高。提出采用工程常用的三種小波函數小波變換系數方法評

3、價表面形貌的分形特征，以M-B分形函數構造的曲線為標準，通過提取不同分解尺度下的小波系數，計算出各分形維數，并將計算結果與標準分形維數進行對比和分析，實現了最優(yōu)的計算小波函數、階數和分解尺度級數，這為結合面接觸剛度建模奠定理論基礎。同時，對實驗獲得的機械結合面試件的分形維數進行了表征計算。研究表明:采用二階Daubechies和Symlets小波在分解尺度7級下各分形維數計算精度較高。
　　設計集靜、動、熱于一體的特性參數實驗平臺

4、，獲得了一定條件下的靜態(tài)法向、切向特性參數和動態(tài)特性參數。在對結合面特性參數的影響因素、實驗特點和有限元分析的基礎上，設計了結合面特性參數法向和切向實驗裝置以及相應的實驗測試系統(tǒng);給出了單位結合面靜態(tài)特性參數和動態(tài)特性參數的獲取原理，獲取了不同結合面條件下特性參數的實驗擬合曲線，并由此計算出了部分材料在特定加工方法下的靜態(tài)法向和切向剛度計算公式。最后對結合面法向動態(tài)特性參數進行了實驗研究，得到了部分結合面法向動剛度和阻尼隨振動頻率、動態(tài)

5、相對位移幅值和法向載荷的變化規(guī)律。研究表明:對于結合面靜態(tài)接觸特性而言，法向和切向接觸剛度與載荷之間是指數函數關系;對于結合面法向動態(tài)特性而言，激振頻率和動態(tài)相對位移幅值對法向動剛度的影響很小，法向面壓對結合面動剛度具有非線性影響;振動頻率和法向面壓對結合面的阻尼影響較大，且具有較強的非線性;相對位移幅值對結合面阻尼影響很小，幾乎可以忽略不計。
　　提出了基于分形幾何理論和接觸力學理論的結合面法向接觸剛度數學模型，揭示了分形維數、

6、尺度系數、塑性指數、材料等影響因素對結合面特性參數的影響規(guī)律。根據建立的粗糙表面分形幾何模型表征了結合面表面形貌特征參數，依據接觸力學理論將粗糙表面單個微凸體的接觸分為彈性、彈塑性和塑性三個階段，給出了相應的接觸載荷、接觸面積和接觸剛度模型。將分形幾何和接觸力學理論有機地結合，根據所建立的微觀法向接觸剛度模型，仿真和分析了法向接觸剛度與法向載荷、接觸面積等主要量綱一因素間的關系，并分別以本文法向接觸剛度的實驗結果和相關文獻中的實驗結果作

7、為算例，對本文的接觸剛度理論模型計算結果進行實驗驗證和比較分析。研究結果表明:結合面法向接觸剛度與影響因素之間存在非線性關系，非線性程度的強弱受塑性指數影響，當塑性指數值較小時，表面微凸體以彈性變形為主，此時，法向接觸剛度與影響因素之間存在非線性關系較弱，反之，隨著塑性指數的變大，這種非線性關系越明顯。通過算例對比分析，本文模型更與實驗結果符合，表明了本文所建模型的合理性和有效性。
　　提出了應用仿生學理論對結合面法向和切向剛度實

8、驗數據進行仿真預測建模的方法。針對傳統(tǒng)粒子群算法的易陷于局部極值和收斂精度不高的缺點，采用改進粒子群算法訓練BP神經網絡的參數，實現了改進粒子群-BP神經網絡混合優(yōu)化算法。針對影響結合面的主要因素進行特征提取與特征描述。以實驗結果作為算例，對結合面法向和切向接觸剛度實驗曲線和預測曲線進行對比和相對誤差分析。研究結果表明:MPSO-BP神經網絡算法具有收斂性快，預測精度高的優(yōu)點，改善了BP網絡泛化能力，提高了預測精度，算例結果表明，機械結