固定结合面接触刚度多尺度模型、动力学建模与位置分布设计方法

Now, modeling of joint suraces is a bottleneck constraints in the innovative design of machine tool's structure. Its solving has universal significance for equipment design and manufacturing.1)According to the multi-scale characteristic of the morphology of rough surfaces and its effects on contact stiffness of joint surfaces,the multi-scale models of contact stiffness of fixed joint surfaces will be proposed, which is not based on fractal and statistical methods.Then the effects of the roughness, materials of rough surfaces and load acting on rough surfaces will be researched by the simulation of the proposed multi-scale models, and also will be compared with the fractal models and other models of contact stiffness. Futhermore, the proposed models will be verified with experiments. 2)Considering the anisotropic feature of dynamic characteristics of fixed joint surfaces and also neglecting the small difference in each direction for tangential contact stiffness, the macro equivalent FEM modeling method for dynamics of fixed joint surfaces will be proposed based on the transversely isotropic virtual composite, which can easily realize the integration between the dynamic modeling of fixed joint surfaces and FEM modeling of machine tool structure, and so the bottleneck constraints, that is modeling of joint surfaces, will be solved. This work will provid theory and technology support for calculation and analysis of the whole static and dynamic characteristics of a machine tool. 3)The effects of the position distribution of fixed joint surfaces in a machine tool's structure on the static and dynamic characteristics of the structure will be researched. Basing on this, the basic design principle and method of the position distribution of fixed joint surfaces in a machine tool's structure will be proposed.This design principle and method will provide a new design thought and a new design opinion for the innovative design of a machine tool's structure.

突破结合面建模在机床整机结构创新设计中的瓶颈约束，对装备设计制造具有普遍意义。1）针对粗糙表面微观形貌拓扑结构多尺度特征及其对结合面接触刚度的影响，研究提出既非基于分形也非基于统计的固定结合面接触刚度多尺度模型,仿真研究揭示结合面粗糙度参数、材料、载荷等因素的影响,进而与接触刚度分形模型及其他模型进行比较，并实验验证之；2）基于固定结合面动力学特性各向异性的特点，忽略其切向各向较小的动力学特性差异，研究提出基于横向各向同性虚拟复合材料的固定结合面宏观等效动力学有限元建模方法，实现固定结合面动力学建模与结构有限元建模分析计算的无缝衔接集成，从而突破结合面建模在机床整机结构创新设计中的瓶颈约束，为实现机床结构整机静动态性能的分析计算与预测提供理论与技术支持，并实验验证之；3）研究探讨固定结合面位置分布对结构静动特性的影响，提出其位置分布设计基本原则与方法，为机床结构创新设计提供新思路与新见解。

突破结合面建模在机床整机结构创新设计中的瓶颈约束，对装备设计制造具有普遍意义。.1）针对粗糙表面微观形貌拓扑结构多尺度特征，提出了基于FFT变换的固定结合面法向和切向接触刚度多尺度理论建模方法，通过模型的仿真研究分析，揭示了结合面粗糙度参数、材料、载荷等因素对结合面接触刚度的影响规律，实验验证了其正确有效性。2）针对固定结合面在法向和切向具有不同的接触变形特性，提出了利用横观各向同性虚拟材料等效固定结合面的动力学参数化建模方法。该方法将固定结合面两接触面的微观接触部分等效为一种等截面的横观各向同性虚拟材料，等效虚拟材料与两侧零件均为固定连接；基于接触分形理论和固定结合面接触刚度多尺度分形模型以及横观各向同性材料弹性常数的定义，理论推导了等效虚拟材料弹性常数以及密度的理论计算模型；基于此，对具有固定结合面实验模型进行了有限元建模与模态分析，进而将理论分析模态与实验模态进行比较，验证了该建模方法的正确有效性，为数控机床固定结合面动力学建模提供了一种新的方法，实现了固定结合部动力学建模与有限元分析软件的无缝衔接集成。3）理论研究探讨了固定结合面位置分布对结构静动特性的影响，探讨了其位置分布设计原则。4）将小波的多尺度分析能力与粗糙表面分形的多尺度自相似特征相结合，对粗糙表面分形轮廓进行多尺度小波分解，提出了计算粗糙表面轮廓分形维数的对数小波谱法以及有效分解尺度概念。通过对W-M函数模拟轮廓进行db2小波分解，发现其小波分解系数呈现出明显的规律性，基于此，提出了由小波分解来识别粗糙表面轮廓特征长度尺度参数的一种新方法。理论与实际实例计算结果不仅均证明了所提出方法的正确有效与可靠性，而且证明了其具有更高的精度。5）基于固定结合面切向接触阻尼迟滞耗能机理，建立了结合面切向接触阻尼及其损耗因子多尺度分形模型；建立了综合考虑弹性、弹塑性和塑性变形机制的结合面法向接触刚度多尺度分形模型；实例验证了模型的正确有效性。