重载横梁大型结合部辨识与建模研究

重载横梁是重型龙门数控机床的关键承载部件。由于其超大尺寸、受力与约束复杂，很难对其结合部特性进行辨识与建模。但这种大型结合部的辨识与建模是重型数控机床及重载横梁静动态特性研究与结构优化的一个重要基础问题，也是机床动力学研究中一个一直没有得到很好解决的难题。本项目研究重型横梁大型结合部静、动力学性能测试方法；探索基于物理模型的结合部非线性影响因素的辨识方法；建立大型结合部非线性本构关系，提出结合部静动态特性参数预测方法；研究大型结合面数值求解方法，解决结合部建模与求解问题；通过测试手段检验建模和分析结果；形成一套解决重型横梁大型结合部实验、辨识、建模、求解与分析的理论和方法，及为以后相关研究提供结合部静、动特性实验数据。项目的研究成果对消化国外重型机床的先进技术，提高国产重型龙门数控机床的自主研发和创新能力、形成自主核心技术具有重要的理论与实际意义。

本项目基于基础试件的拉伸试验和动力特性试验等方法，通过静力拉伸方式和动力学响应特性变化对结合面的力学特性进行提取，研究重型横梁大型结合部静、动力学性能。基于结合面特性数据，探索重型横梁大型结合部的非线性特性，并提出了结合部静动态特性参数预测方法。通过大量的基础试验分析，并对结合面特性的力学特性机理进行解析，探索了小试件特性与大型结合面静动力学特性的关系，建立大型结合部非线性本构映射关系。考虑到横梁的结合面力学特性对整体重型横梁的力学特性影响大，因而在横梁有限元模型中无法将结合面力学特性忽略的问题。研究大型结合面数值求解方法，采用结合面单元方法，对结合面进行建模，将结合面力学特性耦合进整体结构，解决了结合部建模与求解问题。同时该方法并不显著增加大型结合面分析的计算量，对结合面的适当简化并不影响最终的分析结果，因此很好得解决了结合面非线性在横梁整体建模中不易建模和求解困难问题。最终从结合面的试件制作、结合面动力学特性测试、结合面动力学特性提取、小结合面与大结合面的力学特性分析、结合面非线性特性的线性简化、结合面特性建模和耦合等，形成一套解决重型横梁大型结合部实验、辨识、建模、求解与分析的理论和方法，为重型横梁的结构分析与优化提供结合部静、动特性实验数据。基于项目研究的理论和方法，项目解决了重载横梁设计中两个设计瓶颈问题。第一个问题是解决了分段式横梁中大型结合部对横梁整体动静态力学特性的影响问题，该问题制约着横梁往大跨度方向发展，通过本项目对分段式横梁中高强栓接结合部的静力和动力学特性有了进一步的了解，同时对以后在分段式横梁设计中栓接结合部有了更深刻的了解。第二个问题是成功解决了分段式横梁的起拱曲线设计问题，为机床设计企业在横梁起拱曲线设计方法提供了解决方案。在项目研究过程中，共计申请专利8项，发表论文18篇，其中SCI检索2篇，EI检索15篇，软件著作权2项。项目成果通过了机械联合会成果鉴定。