重型数控机床高强栓接结合部微—宏尺度接触机理与力学行为研究

High strength bolts are mainly used to connect large parts in high duty CNC machine tools. The static and dynamic characteristics of high strength bolted joints are the critical influencing factors to the accuracy and reliability of the high duty CNC machine tools, which have become a important foundation problem for structural optimization and performance improvement of machine tools. Firstly, we study the three-dimensional micro-macro scale surface features of the high strength bolted joints. The complementary relationship and coupling mechanism between the macro scale Euclidean geometry and micro scale fractal geometry characterization methods are studied. Then, the micro-macro scale coupling geometry model of the high strength bolted surfaces can be built. Secondly, we study the computing method of the contact stiffness and damping for the asperity. The micro contact mechanism of high strength bolted joints can be revealed, and micro scale fractal contact model is constructed. Thirdly, we study the mechanical constitutive relation of micro scale contact states, macro scale surface and contact stiffness, damping for the high strength bolted joints. A micro-macro scale coupling contact model of high strength bolted joint is established. The decoupling method and numerical solution technique of the nonlinear coupling model are explored. Microscale contact experiment and whole assembly experiments are implemented to verify the correctness of the theoretical model. Finally, a set of theories and methods are formed to reveal the contact mechanism and mechanical behavior of the high strength bolted joints. The topic would provide theoretical and methodological supports for independent innovation design and structural optimization of heavy duty CNC machine tools.

高强栓接是重型数控机床大型结构件固定连接的主要形式，其结合部动静态特性是影响重型数控机床精度与可靠性的关键所在，已成为重型数控机床结构优化与性能提高的重要基础问题。项目从研究高强栓接表面三维微-宏尺度形貌与表征出发，探索宏尺度欧氏几何表征方法和微尺度分形几何表征方法的互补关系与耦合机理，建立高强栓接表面的三维微-宏尺度耦合几何模型；研究单个微凸体接触刚度与阻尼的计算方法，揭示高强栓接结合部的微观接触机理，建立高强栓接结合部的微尺度分形接触模型；研究高强栓接结合部在微-宏尺度上的微观接触状态、宏观形貌与接触刚度、阻尼之间的力学本构关系，构建高强栓接结合部微-宏尺度耦合接触力学模型，并探索解耦方法与数值求解技术；通过微尺度接触实验和整机动静态实验，验证理论模型的正确性。最终形成一套揭示高强栓接结合部接触机理与力学行为的理论与方法，为重型数控机床组合件的结构优化与自主创新设计提供理论与方法支持。

高强栓接结合部动静态特性严重影响重型数控机床的加工精度与可靠性，重型数控机床大型结构件固定连接的高强栓接结合部具有大尺度、多螺栓、较高的集中力以及复杂的外载荷等特点，使得高强栓接结合部的力学特性受到微观尺度和宏观尺度多因素耦合作用影响，其力学特性表现为复杂的耦合力学行为。项目从研究高强栓接表面三维微—宏尺度形貌与表征出发，探索宏尺度欧氏几何表征方法和微尺度分形几何表征方法的互补关系与耦合机理，建立高强栓接表面的三维微—宏尺度耦合几何模型；研究单个微凸体接触刚度与阻尼的计算方法，揭示高强栓接结合部的微观接触机理，建立高强栓接结合部的微尺度分形接触模型；研究高强栓接结合部在微—宏尺度上的微观接触状态、宏观形貌与接触刚度、阻尼之间的力学本构关系，构建高强栓接结合部微—宏尺度耦合接触力学模型，并探索其解耦方法与数值求解技术。通过微尺度接触实验和整机动静态实验，验证理论模型的正确性。项目基于M-B模型建立了分别虚拟材料和非线性接触刚度、阻尼模型，分析了在承受不同预紧力情况下，结合部动态分析表现非线性，即在承受一定预紧力情况下，结合部由于应力分布不均导致接触表面不同区域弹性模量随之变化，呈现非线性特征。将建立的结合部非线性模型应用在框形试件上，分别以均布预紧力和力偶作用两种情况下试件的有限元模态分析结果与实验结果进行对比分析，模型误差在小于5%，实验结果表明所建立模型具有较高的准确性和实用性。项目实施过程中，发表论文12篇，其中SCI论文7篇，授权发明专利3项，项目研究成果为重型数控机床高强栓接结合部优化设计提供理论与方法支持，同时对重型数控机床自主创新设计，提高重型数控机床性能，满足相关行业重大战略需求具有重要理论与实际意义。