[发明专利]一种利用频响函数指标辨识二维梁结构刚度薄弱环节的方法

说明书

本发明公开了一种利用频响函数指标辨识二维梁结构刚度薄弱环节的方法。该发明解决了对组合机床结构刚度薄弱环节辨识的一个关键技术问题。考虑了能等效为二维梁结构的机床结构，以梁结构有限元模型为数值算例，利用状态空间法获取各测点的动态测试数据，该方法利用频响函数包含结构信息的丰富性和刚度薄弱位置相对于相邻位置刚度的变化来建立频响函数的指标。采用单元弹性模量E的减弱来模拟刚度薄弱环节，研究了梁结构单个单元和两个单元的刚度减弱和噪音参与的情况下频响函数指标的评估效果。该方法克服了有限元分析中结合面建模不准确问题，也能克服Update方法中算法收敛和盲目性问题，同时便于工程应用。

技术领域

本发明提出了基于动态测试法并利用频响函数的新指标来辨识二维梁结构刚度薄弱环节的新方法，属于机械振动测试领域。

背景技术

机床优良的加工性能与其刚度特性紧密相关。机床刚度不足会引起机床加工过程中的变形和振动，这不仅会影响机床加工的各项精度和工件的表面质量，而且还会降低生产效率和刀具的耐用度，甚至会降低机床的使用寿命。因此在生产过程中就需对机床刚度薄弱环节有充分的了解，以便在最薄弱环节增加刚度。

现有辨识机床刚度薄弱环节的方法主要是静刚度法与动刚度法。静刚度法又分为两种，第一种是静刚度测试法，主要是对机床的关键部位进行载荷施压，测量出机床各个结构的变形量，通过选取折算中心，计算出变形量最大的结构，即为机床刚度的薄弱环节。这种方法是通过施力物体对机床的关键部位施加静力载荷，利用千分表或者电涡流传感器记录位移量。这两种测试位移量的方法均需要选取测试参考点以及固定测试装置的夹持装置，但在实际测量过程中由于机床结构的复杂性，夹持装置难以找到合适的位置安装，而且选取的参考点也容易发生变形。第二种是通过有限元的静力分析，计算出最大的变形位置。利用此种方法构建的有限元模型在结合处建模的准确性得不到保证，容易产生较大的误差。

动刚度测试法是将有限元模态分析与实验模态分析相结合的方法，利用实验模态分析的结果不断去修正有限元模型的参数，直到有限元模态分析结果与实验模态结果一致，然后利用最终的有限元模型进行分析，获取机床结构的薄弱环节。此种方法需要构建准确的有限元模型，但由于结合面参数的复杂性与修正方法的复杂盲目性导致算法复杂，使得最终结果的准确率大大降低。

工程应用中需要快速简便准确的方法定位机床刚度的薄弱环节，本文在Uriarte等建立的机床整机刚度链以及刘启伟等用串联刚度方法对机床进行研究的基础上，针对可等效为梁结构的机床结构，通过研究梁结构薄弱环节的评估方法来探索辨识机床刚度薄弱环节的方法。

梁结构的刚度薄弱环节辨识可以转化为梁结构损伤位置的辨识，因为结构损伤同样会在损伤位置处造成刚度薄弱。目前应用最多的辨识梁结构损伤的方法主要是动力法，它利用的是结构损伤前后动力参数的变化，如频率、振型等一些表达结构特性的参数会随着结构的损伤发生改变。然而利用频率的方法对局部损伤不敏感，而且易受测试环境温度的影响；利用振型的方法易受外界噪声的影响，振型扩展时也会造成结果的误差。

频响函数反应结构的动力特性，它包含的结构信息要比其他参数更加丰富，同时它对于结构局部刚度改变更加敏感。所以，提出基于动态测试法并利用频响函数的新指标来准确识别梁结构刚度薄弱环节是本专利的核心。

步骤一建立梁结构的有限元模型

机床是一个质量连续分布的弹性体，具有无限多个自由度，但在动态分析中，可以根据机床的具体结构，将机床离散成若干个集中质量的子结构，子结构之间由等效弹簧和等效阻尼器联接，构成一个动力学模型。文中考虑能等效为二维梁结构的机床结构。其中，可将子结构之间的连接件等效为梁结构刚度薄弱区，如图1所示，区域a、b、c和d分别表示子结构1、2、3和4中不含节点的区域，区域b_n表示节点的区域。

1.1二维梁单元