機床螺栓結合部建模方法及應用

第1章概述1
11螺栓結合部對機床的重要性1
12結合面特性的國內外研究概況2
13螺栓結合部的國內外研究概況5
131螺栓結合部的影響因素研究6
132螺栓結合部的試驗研究8
133螺栓結合部特性建模方法的研究10
134螺栓結合部參數識別方法的研究16
14目前研究存在的問題與不足18

第2章結合面靜、動態基礎特性研究19
21結合面特性19
211結合面與結合面表層特性19
212結合面基礎特性影響因素的處理方法20
22結合面靜態基礎特性參數21
221結合面法向靜態特性模型與基礎特性試驗參數22
222結合面切向靜態基礎特性27
23結合面法向動態特性參數30
231結合面法向動態特性參數的試驗原理31
232結合面法向動態特性試驗裝置33
233結合面法向動態特性參數的試驗結果33
24結合面切向動態特性參數35
241結合面切向動態特性參數的試驗原理35
242結合面切向動態特性參數的試驗裝置37
243結合面切向動態特性參數的試驗結果分析37
25本章小結39

第3章基於有限元模型的單元螺栓結合部靜態特性分析40
31單元螺栓結合部有限元模型40
311Abaqus有限元軟體簡介40
312單元螺栓結合部有限元模型的建立41
313基於Abaqus二次開發程式與自帶接觸模型的分析結果對比42
32法蘭結合面的靜態特性分析44
33螺栓結合部螺栓頭結合面特性分析55
331螺栓頭結合面的變形規律55
332螺栓頭結合面的等效變形模擬58
333螺栓頭結合面的試驗驗證61
34螺栓結合部螺紋結合面特性分析62
341螺紋結合面等效變形規律62
342螺紋結合面的試驗驗證65
35本章小結66

第4章螺栓結合部的剛度等效處理方法67
41多螺栓結合部剛度解析模型67
42四節點螺栓結合部等效模型73
43六節點螺栓結合部等效模型74
44螺栓預緊力的確定75
45螺栓結合部等效模型的試驗驗證77
451有限元分析模型77
452試驗模型及測試方法78
453等效模型與試驗模型的對比分析79
46多螺栓結合部的靜態特性分析80
47本章小結86

第5章考慮螺栓結合部接觸特性的力學建模87
51螺栓結合部接觸特性等效原理87
52基於虛擬材料層的螺栓結合部動態等效模型90
53螺栓結合部虛擬材料層的物理參數求解93
531虛擬材料層的彈性模量、泊松比和剪切模量求解93
532虛擬材料層的厚度95
533虛擬材料層的密度96
534螺栓結合部等效黏性阻尼96
54螺栓結合部虛擬材料層的等效模型驗證97
55本章小結101
參考文獻102

螺栓聯接是機床結構中應用最普遍的固定聯接之一，其中螺栓結合部直接影響著機床整機的靜、動態性能。螺栓結合部由螺栓頭結合面、螺紋結合面、被聯接的法蘭結合面及螺栓本身組成，這些組成部分相互作用、耦合，導致螺栓結合部特性非線性強，而且研究難度大，成為機床乃至機械結構系統中結合部研究的熱點之一。因此，研究螺栓結合部特性的變化規律，不僅可以為螺栓結合部的設計提供科學依據，而且對提升高檔數控機床的設計、製造、裝配工藝水準及整機性能具有重要意義。

儘管國內外學者從不同角度研究了螺栓結合部，但是目前仍然未完全解決整機性能解析中所關注的問題。例如，螺栓規格、預緊力、法蘭厚度在實際設計中應遵循什麼樣的原則才能滿足設計需求，目前還缺乏理論支持。另外，目前採用商用有限元軟體系統分析整機系統中的螺栓結合部遇到了兩個主要問題，其一是商用軟體系統缺乏有效的結合部特性資料庫的支援，導致螺栓結合部特性計算誤差較大；其二是螺栓結合部的複雜性導致有限元網格難以劃分，要麼計算難度大，要麼因模型過於簡化而導致計算精度過低。作者針對目前螺栓結合部研究中所存在的問題撰寫了本書。

本書的編寫特色如下：

1）從影響結合面的主要因素入手，研究單位面積結合面的特性參數，通過試驗獲取了與螺栓結合部材料相關的結合面配對條件下的法向、切向靜態特性參數；設計了結合面法向動態剛度與阻尼的試驗裝置，並得到了不同面壓條件下阻尼和動剛度隨激振頻率變化的曲線。結合面法向特性試驗中有可能因載入不均勻而漏掉一段資料或避開試驗過程中因各種誤差的存在導致的個別不規律點，針對這些資料缺失問題，作者採用BP神經網路對結合面進行資料採擷，為通過資料擬合獲得結合面法向特性曲線提供保證。

2）建立了單元螺栓結合部的有限元分析模型，將結合面基礎特性參數以二次開發的形式賦予結合面，並分析了不同螺栓規格下法蘭厚度、預緊力對螺栓結合面變形的影響規律。得出了M12螺栓在法蘭厚度達到20mm及M16、M20螺栓在法蘭厚度達到30mm時，法蘭結合面的變形變化不大的結論。通過對螺栓頭結合面的分析，得到了當法蘭厚度達到30mm時3個規格螺栓頭的變形分佈變化不大的結論。

3）建立了考慮螺栓頭結合面變形和螺紋結合面變形耦合的多螺栓結合部剛度解析模型，給出了單元螺栓結合部的四節點彈簧單元等效模型及六節點等效模型。開發了試驗驗證裝置，驗證了該單元螺栓結合部的等效處理方法的有效性，為目前機床整機有限元建模分析中螺栓結合部的有效處理提供了方法。

4）設計了螺栓預緊力測試試驗裝置，根據試驗結果能方便擬合出螺栓扳手力矩與預緊力之間的函數關係。

5）研究了螺栓結合部的動態特性，建立了可以考慮剛度和阻尼特性的螺栓結合部的各向異性的虛擬材料等效處理模型，通過搭建的含有多螺栓結合部的梁結構試驗件系統，試驗驗證了所建立模型的可行性。

由於編者水準有限，書中難免會出現疏漏和不妥之處，歡迎廣大讀者提出寶貴意見。