丝杠试验台结合部动力学建模与模态分析

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1、国内图书分类号：TH132.1密级：公开国际图书分类号：621西南交通大学研究生学位论文丝杠试验台结合部动力学建模与模态分析年级二零一五姓名周杰申请学位级别工程硕士专业机械工程(专)指导老师高宏力教授二零一八年五月ClassifiedIndex：TH132.1U.D.C：621SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisDYNAMICMODELINGOFTHEBALLSCREWTESTBENCH’SJOINTANDMODALANALYSISGrade:2015Candidate:ZhouJieAcademicDegreeAppl

2、iedfor:MasterDegreeSpecialty:MechanicalEngineeringSupervisor:Prof.GaoHongliMay,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要当机床处于高速加工状态时，其进给系统的不可控振动对工件加工质量影响巨大，为提高机床结构的稳定性、减小振动，必须对其开展动力学研究。在常用的有限元仿真中，结构的可动结合部通常被简单的定义为绑定接触，忽略了可动结合部间复杂的接触情况。特别是对具有大量可动结合部的复杂装配体进行研究时，有限元计算存在很大的误差。本文以具有典型进给系统的丝杠加速寿命试验台为研究对象，从试验台静止状

3、态和工作状态两种情况出发，采用动力学建模、有限元仿真和模态实验三者相结合的方法，对丝杠加速寿命试验台的结构动力学及振动特性进行了全面的研究。具体内容如下：第一，简述了丝杠加速寿命试验台的机电系统构成、结构特点与安装方式，为接下来的计算、仿真和实验工作做准备。第二，利用赫兹接触理论，根据试验台进给系统中可动结合部的接触特性，自编程计算出了其丝杠、轴承和导轨的接触刚度。将接触刚度赋值到有限元软件的弹簧单元中后，在有限元软件中建立起了基于结合部刚度特性的系统结构动力学模型。第三，对试验台进行了有限元模态分析，在有限元分析结果的基础上，利用搭建的模态测试系统对试验台进行了锤击模态实

4、验。通过有限元振型结果确定了合适的拾振点；通过对比多次试验的模态振型结果，确定了能完整展示模态振型的测点个数；通过更换锤头的材质进行试敲击，选择了能实现结构充分激励的锤头；完成实验模态分析，获得了系统的模态参数。最终将三种方法的计算结果进行对比，验证了本文提出模型的准确性。第四，针对此类设备长期处于运行工况下的特点，利用工作模态分析方法对试验台进行了振动特性分析。得到了不同工况下系统的固有频率，分析了转速与轴向负载力对振动特性与固有频率的影响。本论文从丝杠加速寿命试验台静止状态和工作状态两种角度入手对其开展动力学研究。为机床等复杂装配体的动态特性研究提供了合理的动力学模型与

5、全面的研究方法，为机床模态分析、结构优化与故障诊断提供了依据。关键词：丝杠加速寿命试验台；实验模态分析；工作模态分析；可动结合部；动力学建模西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractWhenthemachinetoolisinahighspeedmachiningstate,theuncontrollablevibrationofthefeedsystemhasagreatinfluenceonthemachiningqualityofwork-piece.Inordertoimprovethestabilityofmachinetoolstructureand

6、reducevibration,dynamicresearchisnecessary.Inthecommonlyusedfiniteelementsimulationmethod,therollingjointsofthestructureareusuallysimplydefinedasbondingcontact,andthecomplexcontactformbetweentherollingjointsareignored.Inparticular,thefiniteelementcalculationmayhaveagreaterrorinthestudyofth

7、edynamiccharacteristicsofacomplexassembly,whohasalargenumberofrollingjoints.Inthispaper,theballscrewtestbenchwithtypicalscrewfeedsystemischosenastheobjectoftheresearch.Consideringthestaticstateandtheoperationstate,thecomprehensiveresearchofthedynamicandvibrati