树脂混凝土床身的动静态特性分析.pdf

1 5 树脂混凝土床身的动静态特性分析 屈涛 ， 尹志宏 ， 杨峰 ( 昆明理工大学 机电工程学院， 云南 昆明 6 5 0 0 9 3 ) 摘要： 本文对树脂混凝土机床床身的动静态特性进行了 试验和分析， 利用仪器对床身 进行了 测试， 现场采用 锤击法进行测试， 运用 振型相关矩阵校验进行验证， 得到模态的可信性。识别出床身前 1 0阶模态频率、 阻尼和振型以及振型模态的相对位移量。并和 有限元计算结果进行了对比， 两者基本一致， 表明有限元的正确性， 为树脂混凝土床身C A D建模和C A E分析提供依据。 关键词： 有限元 实验模态树脂混凝土动静态分析 中图分类号： T B l l 5 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 2- 6 8 8 6 2 0 1 0 ) 0 1 - 0 0 1 5- 0 3 Ch a r a c t e r i s t i c An a l y s i s o f Dy n a mi c a n d S t a t i c t o Re s i n Co n c r e t e Be d Qu T a o ， Y I N Z h i h o n g ， Y A N G F e n g Ab s t r a c t ：T h e r e s i n c o n c r e t e ma c h i n e b e d o f d y n a m i c a n d s t a t i c c h a r a c t e l i s t i c s w e r e t e s t e d a n d a n a l y z e d ， u s i n g i n s t r u me n t t o t h e t e s t l a t h e b e d， t h e t e s t me t h o d u s i n g h a m me r ， u s i n g v i b r a t i o n mo d e l v ali d a t i o n c h e c k c o r r e l a t i o n ma t r i x ，mo d al o f c r e d i b i l i t y I d e n t i f y t h e b e d 1 0 o r d e r mo d al f r e q u e n c y ，d a mp i n g a n d s t ri k e o u t t y p e v i b r a t i o n m o d al a n d t h e r e l a t i v e d i s p l a c e me n t A n d c o mp a r e d w i t h t h e fi n i t e e l e me n t c a l c u l a t i o n r e s u l t s，t he r e s u l t s s h o w t ha t t h e t e s t a n aly z e d a n d fina t e e l e me n t a r e b a s i c a g r e e me n t ，a n d p r o v i d e s t he b a s i s t o t h e r e s i n c o n c r e t e b e d C AD mo d e l a n d C A E a n a l y s i s Ke y wo r d s ： fi n i t e e l e me n t ； e x p e r i me n t al m o d al ；r e s i n c o n c r e t e； d y n a mi c a n d s t a t i c a n aly s i s 0弓 I 言 在国际机床产业近 3 0年历史 中， 新型材料树脂混凝土 得到了极大的发展。传统 的铸铁或者钢体床身已经远远不 能达到高精度、 高效率、 低能耗等要求。所以必须选择一种新 型的材料来代替传统材料。树脂混凝土是以合成树脂为粘 结剂 ， 以天然石料为骨料固化而成的一种新型工程材料， 具有 以下性能和优点： 1 ) 常温下一次浇制成型， 尺寸精确 ， 表面光 滑； 2 ) 阻尼减震 ： 阻尼系数高、 吸振性好， 具有 良好的减振性 能； 3 ) 耐热性： 比热是铸铁的3倍 ， 热膨胀系数低具有较好的 热稳定性； 4 ) 抗腐性： 有较强的抗化学腐蚀能力 ， 对水、 酸碱、 润滑油和切削液不敏感不生锈； 5 ) 降低成本： 可省去第二次 精加工和机加工成本， 减少昂贵材料的用量。 1 床身的基本模型及静力分析 此床身采用双 导轨结 构， 上导轨 一 次安装 溜板、 工 作台、 刀架和车刀， 下 导轨 上 安 装 尾 座。由于稳定载荷 作用 的机构 分析， 不考虑其惯性和阻 图1树脂混凝土床身及其受力示意图 尼的影响。在静态分析 中， 对床 身底 面上 的六 个支撑 面施 加 固定 约 束。对地脚螺栓孔施加 圆柱约束。将溜 板、 工 作台、 刀架 车刀 和尾座 所受的重力及车刀切削 力折算到导轨 面， 得到 导轨所承受的载荷。按 照从上到下的编号为 1 号 导 轨 面 均 部 载 荷 0 0 1 l 9 MP a ， 1号 导 轨 侧面均部 载荷 0 0 7 2 1 M P a ， 2 号导轨正面均部 载荷 0 1 6 5 6 MP a ， 3号 导 轨 正 面 均 部 载 荷 0 2 5 4 3 MP a ， 4 号导轨侧 图3 床身等效应力云图 面均部载荷 0 4 2 3 l MP a ， 4号导轨正面均部载荷 0 6 3 9 5 M P a ， 螺栓预紧力 2 0 2 9 8 1 N 。在 S o l u t i o n控件里添加总变形 量和等效应力， 进行运算， 得出床身的总变形量云图、 等效应 力云图， 以及床身在各方向的变形量 。 变形量的大小是评价床身静态性能优劣 的重要指标。 对判定床身I生能的好坏有重要的意义。 作者简介： 屈涛( 1 9 8 2一) ， 男， 陕西人 ， 昆明理工大学硕士研 究生， 主要研究方向： 系统动力学。 尹志宏( 1 9 6 2一) ，男， 教授 ， 主要研究方向： 系统动力学。 收稿日期： 2 0 0 9 7 2 5 中 国 机 械 采 购 鹊 ： t 黥 鞭 1 6 表 1 床身在各方向的变形量 2 床身的动态分析 在材料定义中确定材料属性， 建立新材料数据库： 杨 氏 弹性模量E： O 3 6 1 0 “ P a ； 密度P ： 2 5 1 0 k g h i m 树脂混 凝土的密度取值范围为： 2 3 1 0 。 。 。 2 8 1 0 k g m m ； 泊松 比取值 0 2 8 。进行约束和力的施加 ， 将机床床身地脚螺栓固 定， 施加的力如图 1 所示。 将树脂混凝土床身实体模型从三维建模平台 P r o E中 链接进入 A N S Y S 进行模态分析。导入模型， 实质材料属性， 进行网络划分后 ， 在 S o l u t i o n控件里添加 F r e q u e e e n c y F i n d e r 控件 ， 添加 1 0阶自由 状态下的固有频率 ， 点击 R u n 运行得出 结果。固有频率、 振型及振型模态相对位移量如表2 和图4 。 表 2 固有频率、 振型及振型模态相对位移量 ( a )第1 阶模 态振 型 ( b )第2 阶模态振型 ( c) 第3 阶模态振型 ( d )第4 阶模态振型 图4 3 床身试验模态分析 本试验的测试系统是 I N V 3 0 6 U智能信号采集处理分析 仪， 并配合该所的智能数据采集和信号处理软件 D A S P V I O 。 试验框图见图5 。用力锤进行锤击试验。 力锤 3 1 试验结构的支撑方式 支撑方式一般有 自由支撑 、 固定支撑和原装支撑三种。 固定支撑要求支撑具有较大的刚度和质量， 才能减小对结构 高阶模态的影响。一般以实测支撑系统的最低固有频率大 于所关心的结构最高固有频率的 3 倍为参考标准， 由于支撑 方式不仅要考虑几何相似性 ， 还要考虑动力相似性， 对于机床 实验模态分析应采用固定支撑为了尽量做到与实际工作状 态一致， 本试验中机床采用固定支撑方式 。 3 2激振点和相应点的布置 选择激振点应以能有效激起各阶模态为原则。在模态 试验前结构的模态特胜 是未知的， 需要通过一定方法确定合 理的激振点。一般有两个途径： 根据经验确定， 如果结构有 自 由端 激振点应选择在自由端附近， 如果结构对称， 不宜选在 结构对称面上。经过经验初步确定的基础上， 可选定几个激 振点进行激励试验 ， 测量若干个频响函数， 观察有哪几个激振 点激励所得到的频响函数不丢失重要模态， 则为最佳激振点。 试验中激振点选在混凝土床身 4 5 。 斜面的中间， 即图 6 中的2 3 点。分别在床身和各部件上共布置了4 2 个测点， 如 图7 所示。树脂混凝土床身用橡皮泥将传感器粘贴在床身的 测点 匕 。 图6激振点和相应点分布 图 图7 前 四阶模 态振型 图 3 3试验结果分析 使用复模态多自由度方法进行模态参数识别。最后， 经 过模型验证的模态参数和模态振型分列如表 3和图8 。 表 3 模态参数表 阶数 频率( )阻尼( ) 模态质量 模态刚度 模态组尼 C ( 下转第5 0页)