重型數(shù)控機(jī)床的加工能力是一個(gè)國家工業(yè)水平和綜合實(shí)力的重要體現(xiàn),反映機(jī)床加工能力的關(guān)鍵因素是加工精度。龍門結(jié)構(gòu)和機(jī)床底座等機(jī)床結(jié)構(gòu)件在加工過程中的力、熱變形是影響加工精度的主要因素。因此,研究結(jié)構(gòu)件變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測與在線補(bǔ)償對(duì)于提高重型數(shù)控機(jī)床的加工精度具有重要意義。重型數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)件形狀不規(guī)則,相互作用較多,受載信息獲取困難,普通變形測量方法難以滿足機(jī)床結(jié)構(gòu)件的變形監(jiān)測。本文基于逆有限元法（iFEM）對(duì)龍門結(jié)構(gòu)和機(jī)床底座的位移場進(jìn)行變形重構(gòu)。逆有限元法通過應(yīng)變矩陣建立單元節(jié)點(diǎn)自由度與分析應(yīng)變之間的關(guān)系,構(gòu)建分析應(yīng)變與實(shí)驗(yàn)應(yīng)變的誤差最小二乘函數(shù),利用求解誤差函數(shù)的極小值獲得節(jié)點(diǎn)自由度,采用形函數(shù)插值得出結(jié)構(gòu)件的位移場。逆有限元法能夠在受載信息未知的情況下,以被測結(jié)構(gòu)表面較少的應(yīng)變數(shù)據(jù)作為輸入,輸出結(jié)構(gòu)的位移場,在形狀復(fù)雜、受載未知的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方面具有很大優(yōu)勢。本文的主要研究成果如下:（1）對(duì)龍門結(jié)構(gòu)和機(jī)床底座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡化和受載情況分析。根據(jù)簡化模型,利用梁單元和板單元對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和節(jié)點(diǎn)編號(hào),編寫了逆有限元算法。并且根據(jù)結(jié)構(gòu)件的布點(diǎn)要求對(duì)逆有限元法進(jìn)行了改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了單元單側(cè)布點(diǎn)。... 

【文章來源】：武漢理工大學(xué)湖北省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

通用車床主軸軸向誤差激光干涉法測量裝置[8]

變形較大的厚板，對(duì)于解決復(fù)合材料和非線性材料的變形問題有很大幫助[21]。1990年，TesslerA等人提出了一種三節(jié)點(diǎn)等曲率殼單元，這種單元利用剪切懲罰參數(shù)和邊界約束的等參插值結(jié)合，避免了殼單元出現(xiàn)剪切鎖定和單元鎖定問題，并且通過對(duì)于鎖定敏感的單曲和雙曲薄殼問題實(shí)例，驗(yàn)證了這種單元的建模能力[22]。1994年CookRD提出了一種綜合拉伸和彎曲變形的四邊形殼單元。這種單元具有24個(gè)自由度，能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)表面的平面應(yīng)變信息，重構(gòu)板結(jié)構(gòu)的拉伸和彎曲耦合變形，文章還闡述了這種單元的應(yīng)用場合以及應(yīng)用效果[23]。圖1-2逆有限元法監(jiān)測機(jī)翼變形實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[25]單元插值理論提出后，2003年TesslerA等人首次提出逆有限元法的概念和理論。首先根據(jù)前面研究得出的位移函數(shù)，構(gòu)造三角單元的形函數(shù)，采用雙面粘貼應(yīng)變測量裝置的方法，將拉伸應(yīng)變和彎曲應(yīng)變進(jìn)行解耦，通過最小二乘法構(gòu)建逆有限元分析應(yīng)變與應(yīng)變傳感器所測應(yīng)變之間的誤差關(guān)系，得出單元節(jié)點(diǎn)自由度。通過數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)證明，這種方法能夠有效精確地重構(gòu)結(jié)構(gòu)位移場[24]。2005年QuachCC等人提出了利用逆有限元法實(shí)時(shí)監(jiān)測飛機(jī)機(jī)翼變形。如圖1-2所示，將機(jī)翼簡化為一個(gè)豎直放置的懸臂板，懸臂板的一面粘貼FBG測量應(yīng)變，另一面利用位移傳感器測量懸臂板的位移，通過對(duì)比逆有限元法的重構(gòu)位移和位移傳感器所測得的位移，驗(yàn)證了逆有限元法在監(jiān)測機(jī)翼變形時(shí)的準(zhǔn)確性與可靠性[25]。同年，TesslerA等人構(gòu)建了四邊形殼單元，通過加載系數(shù)未知的三角函數(shù)力載荷，分別使用有限元法和逆有限元法重構(gòu)單元變形，最后得出兩者位移

曲變形重構(gòu)[30]。逆有限元法可以應(yīng)用于桁架靜態(tài)變形[31]和動(dòng)態(tài)模態(tài)[32]的實(shí)時(shí)監(jiān)測，MarcoGherlone等人基于單元截面在發(fā)生變形后保持平整且垂直于中性軸的假設(shè)，構(gòu)建了一種適用于梁單元的位移函數(shù)，這種位移函數(shù)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含六個(gè)自由度，通過逆有限元重構(gòu)算法建立節(jié)點(diǎn)自由度與靜態(tài)應(yīng)變和動(dòng)態(tài)應(yīng)變的關(guān)系，利用最小二乘法求解結(jié)構(gòu)位移常在逆有限元法監(jiān)測動(dòng)態(tài)應(yīng)變方面，XuegangSong等人以逆有限元法重構(gòu)的靜態(tài)位移場為基礎(chǔ)，構(gòu)建二階動(dòng)力學(xué)方程，將靜態(tài)位移帶入動(dòng)力學(xué)方程中，然后應(yīng)用卡爾曼濾波去除振動(dòng)噪聲的影響。如圖1-3所示，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，逆有限元法與卡爾曼濾波結(jié)合能夠很好地預(yù)測梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)。圖1-3逆有限元法在動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測的應(yīng)用結(jié)果[32]隨著復(fù)合材料的快速發(fā)展，逆有限元法也被應(yīng)用到復(fù)合材料和夾層結(jié)構(gòu)的

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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本文編號(hào)：3092828