CN103149002B - 一种结合面法向动态特性参数测试装置及方法 - Google Patents

一种结合面法向动态特性参数测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体公开了一种结合面法向动态特性参数测试装置及方法,上垫片和下垫片设于支撑钢架内,预紧装置从顶部穿过支撑钢架,与上垫片接触;下垫片放置在支撑钢架的底部,与上垫片对应;所述的力传感器穿过支撑钢架的底部和下垫片,到达下垫片的顶部,且力传感器的底部与激振器相连,激振器和支撑钢架固定在工作台上;所述的下试件、上试件置于上垫块和下垫块之间,在上垫块、上试件、下试件、下垫块彼此的接触面处连接有磁性薄吸板,所述的磁性薄吸板的上方或下方设有涡流传感器;且涡流传感器与磁性薄吸板有间隙,在上试件、下试件的外表面还设有加速度传感器,所述的涡流传感器、加速度传感器、力传感器分别与信号处理装置相连。

Description

一种结合面法向动态特性参数测试装置及方法
技术领域
[0001] 本发明具体公开了一种结合面法向动态特性参数测试装置及方法。
背景技术
[0002] 制造业对设备加工水平的要求越来越高,如何提高机械装备的性能是一个重要课 题。导致机械装备加工性能复杂的一个因素就是其结构存在各种结合面,对机床而言,结合 面阻尼占整个机床阻尼的90%左右,而结合面接触刚度占机床总体刚度的60%_80%。所以, 弄清结合面对系统动力学行为的影响规律弥足重要,研宄结合面的法向动态特性参数即法 向接触刚度和阻尼,是提高制造装备性能的一个重要途径。
[0003] 现代机械设备分析多是采用有限元仿真分析,由于结合面的刚度、阻尼特性极其 复杂,目前主要通过实验方法识别,然后建立包含结合面拟合单元的有限元模型,再分析有 限元模型在各种工况下的动态特性,可大大提高分析效率。
[0004] 所以设计能有效识别结合面法向动态参数的测试装置是首要任务,是建立真实、 准确的有限元模型的基础。同时需要在测试装置上采集试件多个位置的位移、加速度等数 据,作为实际参照,修正有限元模型,使之尽量准确,方便后续分析。
发明内容
[0005] 针对以上问题,本发明提供一种结合面法向动态特性参数测试装置及方法。
[0006] 本发明采用的技术方案如下:
[0007] -种结合面法向动态特性参数测试装置,包括预紧装置、支撑钢架、上垫块、涡流 传感器、磁性薄吸板、加速度传感器、力传感器、激振器、工作台、下垫块、下试件、上试件、涡 流位移传感器支架装配体,所述的上垫片和下垫片设于支撑钢架内,预紧装置从顶部穿过 支撑钢架,与上垫片接触;下垫片放置在支撑钢架的底部,与上垫片对应;所述的力传感器 穿过支撑钢架的底部和下垫片,到达下垫片的顶部,且力传感器的底部与激振器相连,激振 器和支撑钢架固定在工作台上;所述的下试件、上试件置于上垫块和下垫块之间,在上试 件、下试件上设置多个磁性薄吸板与多个加速度传感器,所述的磁性薄吸板的上方或下方 设有涡流传感器;且涡流传感器与磁性薄吸板有间隙,所述的涡流传感器、加速度传感器、 力传感器分别与信号处理装置相连。
[0008] 所述的涡流传感器由一个支架装配体固定,且涡流传感器通过螺栓与支架装配体 活动连接,所述的支架装配体固定于工作台上。
[0009] 所述的涡流传感器与位移信号放大器相连;所述的加速度传感器与电荷放大器相 连;所述的激振器与功率放大器相连,所述的位移信号放大器、加速度传感器和功率放大器 分别与动态信号分析仪相连,所述的动态信号分析仪与计算机相连。
[0010] 所述的工作台为刚性工作台,所述的预紧装置为预紧螺栓。
[0011] 在所述的支撑钢架、激振器、支架装配体与工作台的连接面处设有橡胶减震材料。 [0012] 所述的结合面法向动态特性参数测试装置的使用方法,包括以下步骤:
[0013] (1)首先制备不同材料、不同加工方式、不同表面粗糙度的上试件和下试件;
[0014] (2)由下至上安装测试装置,先完成激振器在刚性工作台上的安装与固定,然后安 装支撑钢架,在支撑钢架内由下至上地依次安放下垫块、下试件、上试件及上垫块;
[0015] (3)在上试件、下试件多个位置布置多个磁性薄吸板与多个加速度传感器,以测得 上下试件多个位置处的位移、加速度信号。
[0016] (4)将涡流传感器安装在支架装配体上,且使涡流传感器与磁性薄吸板的上方,调 节涡流传感器上的螺母以调整其与所测磁性薄吸板间距,以便更好测量;
[0017] (5)通过激振器激励,同时记录各个传感器的相应信号;
[0018] (6)对各传感器信号进行后处理,得到法向动态特性参数值。
[0019] 所述的传感器信号后处理过程如下:
[0020] (1)由信号系统输出简谐信号,通过放大器进行功率放大,然后由激振器对下试件 施加简谐载荷f(t);
[0021] (2)建立测试装置中试件及结合面的动力学模型;将结合面等效为弹簧阻尼单元, 其中m x为下试件质量,K1为结合面的等效刚度,(^为结合面等效阻尼,δ ^t)为结合面处 位移(其4
Figure CN103149002BD00051
,即取两个结合面处所测位移值的平均值,L1 (t)为吸附在下 试件表征结合面位移的磁性吸板位移量;δ # (t)为吸附在下试件表征结合面位移的磁性 吸板位移量),f(t)为激振器所施加在下试件上的简谐激振力,fj(t)为等效到结合面处的 简谐力,下试件与结合面共同组成了二阶线性有阻尼质量-弹簧系统;
[0022] 系统的运动微分方程为:
Figure CN103149002BD00052
[0023] ( 1 ;
[0024]
[0025] (2)
[0026] 且近似为 fj (t) = FmCos ω t (3)
[0027] 其中:mxS下试件质量;a为下试件加速度;CjS结合面阻尼;K jS结合面刚度; S j(t)为结合面处位移;#/〇为结合面处速度,由位移求导而得;f(t)为激振器所施加在 下试件上的简谐激振力,f」(t)为等效到结合面处的简谐力。Fm为结合面处所受激振力幅 值;ω为激振力的频率;由于激励为简谐函数,故稳态响应即结合面处位移也是简谐函数, 且具有相同的ω,故有
Figure CN103149002BD00053
[0028] ^ (4)
[0029] 式(4)中δ π为结合面位移幅值,ρ为相位差;ω为激振力的频率;
[0030] 将式(4)带入式(2)、(3)整理可得,
Figure CN103149002BD00054
[0031] (5)
[0032] (6)
[0033] 艮P :
[0034]
[0035]
Figure CN103149002BD00061
[0036]
[0037] 由于f(t)、δ# α均可通过传感器测得,即在式(6)、(7)、(8)中Fn^ δ m已知, 但f*未知。故Kj和C j的求解过程中,-的求解是重点;本发明运用KelvinVoight模型应变 能有关结论:
[0038]
Figure CN103149002BD00062
(10)
[0039] 带入式(9),得
Figure CN103149002BD00063
[0042]
Figure CN103149002BD00064
(12)
[0040] (11)
[0041] 式(11)中Φ为Kelvin-Voight模型中的耗能系数,其计算式为
[0043] 式(12)中E|为一个加、卸载循环中的耗能,E&为加载过程中的应变能,E#u为卸载 过程中的应变能,这三个参数通过实验获得,在实验过程中重复多次进行加载、卸载过程, 根据结合面处涡流传感器记录的位移随激振力变化的实验数据,可以得到加卸载过程中的 应变能图,如图8所示。根据图8中所示各物理量含义,E|.为一个加、卸载循环中的耗能, 为加载过程中的应变能,E;为卸载过程中的应变能;Ftl为预紧后的作用力;δ #为施加 预紧作用力后的结合面初始位移量;FmS激振器施加的简谐激振力的幅值;△ δ j为结合 面在简谐激振力作用下的位移差;横轴为结合面接触位移,纵轴为结合面上的接触压力,再 经过数学计算,(数学计算方法属于现有技术),求得Φ值,带入式(11)即可求得V值,再 带入式(7)、(8),即可分别求得法向动态刚度与阻尼值。
[0044] 在本发明中,分别测量上下试件多个部位的位移、加速度值,为后续有限元模型的 准确建立提供实验对照数据。
[0045] 图中δ^Κδ' 2(t)分别为上下试件不同部位的位移测量值, as为上试件的加速度测量值。通过记录上下试件多个部位的参数值,为后续仿真分析过程 中修正模型提供了实验数据对照。
[0046] 本发明的有益效果是;(1)测量装置简单易行,测量方法新颖有效;(2)既可以测 接触体的实际法向动态参数,又可以根据测量接触面积而转化为单位面积上的法向动态参 数。(3)为后续仿真分析中修正有限元模型提供多个位置实验数据支撑。
附图说明
[0047] 图1装置整体主视图;
[0048] 图2装置整体侧视图;
[0049] 图3上下试件及结合面的结构图;
[0050] 图4上下试件及结合面的动力学模型示意图;
[0051] 图5多个涡流位移传感器布置示意图;
[0052] 图6测试系统示意图;
[0053] 图7粗糙结合面受力、位移示意图;
[0054] 图8Kelvin_Voight模型应变能示意图。
[0055] 图中:1.预紧螺栓、2支撑钢架、3上垫块、4涡流传感器、5磁性薄吸板、6加速度传 感器、7力传感器、8激振器、9减振橡胶材料、10刚性工作台、11下垫块、12下试件、13上试 件、14支架装配体、15结合面。
具体实施方式
[0056] 下面结合附图对本发明进行详细说明:
[0057] 该装置由以下部分组成:预紧螺栓1、支撑钢架2、上垫块3、涡流传感器4、磁性薄 吸板5、加速度传感器6、力传感器7、激振器8、减振橡胶材料9、刚性工作台10、下垫块11、 下试件12、上试件13、涡流位移传感器支架装配体14。其中预紧螺栓通过与支撑钢架2连 接对上垫块3施加作用力,为上试件13和下试件12接触提供预紧力。上试件13位于上垫 块3的正下方,下试件12的正上方,加速度传感器6靠磁力吸附在下试件12表面。下试件 12放在下垫块11正上方,然后下垫块11放在支撑钢架2上。激振器8通过激振杆和下垫 块11对下试件12施加作用力,由力传感器7测得相应激振力。激振器8与支撑钢架2通 过减振橡胶材料9,采用螺栓连接与刚性工作台10固定在一起。涡流位移传感器支架装配 体14支撑各涡流位移传感器完成对各相配磁性薄吸板的位移测量,其中结合面15处磁性 薄吸板位移表示结合面15位移,用来计算法向动态特性参数,其他部位磁性薄吸板表示相 应部位的位移,在后续仿真研宄中作为实验对照修正有限元模型。涡流位移传感器支架装 配体14同样通过减振橡胶材料9采用螺栓连接与刚性工作台10固定在一起。激振力由动 态信号分析仪输出,通过功率放大器经激振器8施加到下试件11上,其大小通过力传感器7 测得。激振器8同样通过减振橡胶材料9采用螺栓连接与刚性工作台10固定在一起。装 置整体装配后的主视图、侧视图分别如图1、图2所示。
[0058] 上述测试装置测量动态特性参数的方法如下:
[0059] 所述的结合面15法向动态特性参数测试装置的使用方法,包括以下步骤:
[0060] (1)首先制备不同材料、不同加工方式、不同表面粗糙度的上试件13和下试件12 ;
[0061] (2)由下至上安装测试装置,先完成激振器8在刚性工作台10上的安装与固定, 然后安装支撑钢架2,在支撑钢架2内由下至上地依次安放下垫块11、下试件12、上试件13 及上垫块3 ;
[0062] (3)在上试件13、下试件12多个位置布置多个磁性薄吸板5与多个加速度传感器 6,以测得上试件13、下试件12多个位置处的位移、加速度信号。
[0063] (3)将涡流传感器4安装在支架装配体14上,且使涡流传感器4与磁性薄吸板5 的上方,调节涡流传感器4上的螺母以调整其与所测磁性薄吸板5间距,以便更好测量;
[0064] (3)通过激振器8激励,同时记录各个传感器的相应信号;
[0065] (4)对各传感器信号进行后处理,得到法向动态特性参数值。
[0066] 传感器信号的计算过程如下:
[0067] (1)由信号系统输出简谐信号,通过放大器进行功率放大,然后由激振器8对下试 件12施加简谐载荷f(t);
[0068] (2)建立测试装置中试件及结合面15的动力学模型图表示如图3图4所示;将结 合面15等效为弹簧阻尼单元,其中m xS下试件12质量,K ,_为结合面15的等效刚度,C」为 结合面15等效阻尼,δ ^t)为结合面15处位移(其中
Figure CN103149002BD00081
!卩取两个结合面 15处所测位移值的平均值),f(t)为激振器8所施加在下试件12上的简谐激振力,A(t)为 等效到结合面15处的简谐力,下试件12与结合面15共同组成了二阶线性有阻尼质量-弹 簧系统;
[0069] 系统的运动微分方程为:
Figure CN103149002BD00082
[0070]
[0071]
[0072]
[0073] 且近似为 fj= F m cos ω t (3)
[0074] 式(3)中FmS结合面15处所受激振力幅值;由于激励为简谐函数,故稳态响应即 结合面15处位移也是简谐函数,且具有相同的ω,故有
[0075]
Figure CN103149002BD00083
[0076] 式(4)中SmS结合面15位移幅值,f»为相位差;将式(4)带入式(2)、(3)整理可 得,
Figure CN103149002BD00084
[0077]
[0078]
[0079] 艮P :
[0080]
[0081]
[0082]
[0083] 由于f(t)、δ」与α均可通过传感器测得,即在式(6)、(7)、(8)中FA δ m已知, 但V未知。故Kj和Cj的求解过程中,f?的求解是重点;本发明运用Kelvin-Voight模型应变 能有关结论:
[0084]
Figure CN103149002BD00085
(10)
[0085] 带入式(9),得
[0086]
Figure CN103149002BD00091
(11)
[0087] 式(11)中Φ为Kelvin-Voight模型中的耗能系数,其计算式为
[0088]
Figure CN103149002BD00092
(12)
[0089] 式(12)中Ε|为一个加、卸载循环中的耗能,Efi为加载过程中的应变能,E|Q为卸载 过程中的应变能,这三个参数通过实验获得,在实验过程中重复多次进行加载、卸载过程, 根据结合面15处涡流传感器记录的位移随激振力变化的实验数据,可以得到加卸载过程 中的应变能图,如图8所示,根据图8中所示各物理量含义,E|为一个加、卸载循环中的耗 能,Ep n1为加载过程中的应变能,为卸载过程中的应变能;F(i为预紧后的作用力;δ #为施 加预紧作用力后的结合面15初始位移量;FmS激振器8施加的简谐激振力的幅值;△ δ j 为结合面15在简谐激振力作用下的位移差;横轴为结合面15接触位移,纵轴为结合面15 上的接触压力,再经过数学计算求得Φ值,带入式(11)即可求得Φ值,再带入式(7)、(8), 即可分别求得法向动态刚度与阻尼值。
[0090] 在本发明中,分别测量上试件13和下试件12多个部位的位移、加速度值,为后续 有限元模型的准确建立提供实验对照数据。
[0091] 图中δΑ)、δ ' i(t)、δ2α)、δ ' 2(t)分别为上试件13和下试件12不同部位 的位移测量值,as为上试件的加速度测量值。通过记录上试件13和下试件12多个部位的 参数值,为后续仿真分析过程中修正模型提供了实验数据对照。

Claims (5)

1. 一种结合面法向动态特性参数测试装置的测试方法,其特征是,所述结合面法向动 态特性参数测试装置包括预紧装置、支撑钢架、上垫块、涡流传感器、磁性薄吸板、加速度传 感器、力传感器、激振器、工作台、下垫块、下试件、上试件、涡流位移传感器支架装配体,所 述的上垫块和下垫块设于支撑钢架内,预紧装置从顶部穿过支撑钢架,与上垫块接触;下垫 块放置在支撑钢架的底部,与上垫块对应;所述的力传感器穿过支撑钢架的底部和下垫块, 到达下垫块的顶部,且力传感器的底部与激振器相连,激振器和支撑钢架固定在工作台上; 所述的下试件、上试件置于上垫块和下垫块之间,在上试件、下试件上设置多个磁性薄吸板 与多个加速度传感器,所述的磁性薄吸板的上方或下方设有涡流传感器;且涡流传感器与 磁性薄吸板有间隙,所述的涡流传感器、加速度传感器、力传感器分别与信号处理装置相 连; 所述的结合面法向动态特性参数测试装置的测试方法,包括以下步骤: (1) 首先制备不同材料、不同加工方式、不同表面粗糙度的上试件和下试件; (2) 由下至上安装测试装置,先完成激振器在刚性工作台上的安装与固定,然后安装支 撑钢架,在支撑钢架内由下至上地依次安放下垫块、下试件、上试件及上垫块; (3) 在上试件、下试件多个位置布置多个磁性薄吸板与多个加速度传感器,以测得上下 试件多个位置处的位移、加速度信号; (4) 将涡流传感器安装在支架装配体上,且使涡流传感器安装在磁性薄吸板的上方,调 节涡流传感器上的螺母以调整其与所测磁性薄吸板间距,以便更好测量; (5) 通过激振器激励,同时记录各个传感器的相应信号; (6) 对各传感器信号进行后处理,得到法向动态特性参数值; 其特征在于:所述的传感器信号后处理过程如下: (1) 由信号系统输出简谐信号,通过放大器进行功率放大,然后由激振器对下试件施加 简谐载荷f(t); (2) 建立测试装置中试件及结合面的动力学模型;将结合面等效为弹簧阻尼单元,其 中叫为下试件质量,为结合面的等效刚度,(^为结合面等效阻尼,为结合面处位 移,其中5/t) 即取两个结合面处所测位移值的平均值,Sn(t)为吸附在下试 件表征结合面位移的磁性吸板位移量;\_2(t)为吸附在上试件表征结合面位移的磁性吸 板位移量;f(t)为激振器所施加在下试件上的简谐激振力,fj(t)为等效到结合面处的简谐 力,下试件与结合面共同组成了二阶线性有阻尼质量-弹簧系统; 系统的运动微分方程为:
Figure CN103149002BC00021
且近似为fj(t) =Fmcos«t(3) 其中:mxS下试件质量;a为下试件加速度;q为结合面阻尼;为结合面刚度; 为结合面处位移; <(>)为结合面处速度,由位移求导而得;f(t)为激振器所施加在下试件 上的简谐激振力,f」(t)为等效到结合面处的简谐力;Fm为结合面处所受激振力幅值;《为 激振力的频率;由于激励为简谐函数,故稳态响应即结合面处位移也是简谐函数,且具有相 同的《,故有
Figure CN103149002BC00031
(4) 式(4)中八为结合面位移幅值,f?为相位差;《为激振力的频率; 将式⑷带入式(2)、(3)整理可得, 即:
Figure CN103149002BC00032
由于f(t)、8』与a均可测,即在式(6)、(7)、(8)中Fm与Sm已知,但,未知;故\和Cj的求解过程中,-的求解是重点;运用Kelvin-Voight模型应变能有关结论,
Figure CN103149002BC00033
式(11)中屯为Kelvin-Voight模型中的耗能系数,其计算式为
Figure CN103149002BC00034
式(12)中E|为一个加、卸载循环中的耗能,为加载过程中的应变能,E;为卸载过 程中的应变能。
2. 如权利要求1所述的一种结合面法向动态特性参数测试装置的测试方法,其特征在 于:所述的涡流传感器由一个支架装配体固定,且涡流传感器通过螺栓与支架装配体活动 连接,所述的支架装配体固定于工作台上。
3. 如权利要求1所述的一种结合面法向动态特性参数测试装置的测试方法,其特征在 于:所述的涡流传感器与位移信号放大器相连;所述的加速度传感器与电荷放大器相连; 所述的激振器与功率放大器相连,所述的位移信号放大器、加速度传感器和功率放大器分 别与动态信号分析仪相连,所述的动态信号分析仪与计算机相连。
4. 如权利要求1所述的一种结合面法向动态特性参数测试装置的测试方法,其特征在 于:所述的工作台为刚性工作台,所述的预紧装置为预紧螺栓。
5. 如权利要求1所述的一种结合面法向动态特性参数测试装置的测试方法,其特征在 于:在所述的支撑钢架、激振器、支架装配体与工作台的连接面处设有橡胶减震材料层。
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