机床CAE建模方法及动态特性分析(3)

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在解决零件中出现裂纹这类问题时，需要在曲线形裂纹前缘附近的区域细分网格。这样无论是从网格生成的角度看还是从求解的角度看，都是需要花费大量的时间的，而且再循环加载的情况下产生的次裂纹将会使得分析变得更加复杂。为此，美国的Pipkinsay和Atlurib提出了有限元交替方法（FEAM）。该方法在求解应力集中因子时，可在不牺牲精度的情况下节约时间，用它分析具有椭圆裂纹或部分椭圆裂纹的结构是很有用的。此外西班牙的Onate和波兰的Rojek将离散单元法（DEM）和有限元法结合解决地质力学中的动态分析问题；瑞典的Birgersson和英国的Finnveden针对有限元法在频域中的应用提出了谱有限元法（SFEM）。

在有限元法应用领域不断扩展、求解精度不断提的同时，FEM也从分析校核向优化设计方向发展。例如印度Mahanty博士对拖拉机前桥进行优化设计，结果不但降低了40%前桥自重，还避免了在制造过程中大量的焊接工艺，降低了生产成本。

当然虽然有限元分析得到了巨大的发展，但是它的准确度仍然是一个挑战，是一个多方面的问题，如颤振，刚度和精度。有限元法在分析单一的机械零件时精度可以达到很高，但装配结构，它不能简单地归结为一个个人组成的模块，它是一个大问题。如螺栓的机械接头，侧身滚动接头组件的形式等都会影响到组合结构的整体刚度和机械特性，导致较少的有限元建模精度之间的薄弱环节。最后导致与现实之间的不准确。

1.3 结合面动态特性分析的必要性

机械结合部是机械系统中一种常见结构形式,由于它在外加载荷的作用下表现出了复杂的动力学特性,这一特性对机械系统整体的动态性能也产生了很大的影响。有研究证实,机床结构中结合部（主要有螺栓结合面、直线导轨结合面以及滚珠丝杠结合面）的弹性和阻尼往往比结构自身的弹性和阻尼还大,所以不难看出结合部就是影响机床的整体动态性能的关键所在。这一事实说明研究结合面的动态特性具有十分重要的意义。

在设计和生产机械的过程中，为了达到各种功能要求以及考虑到降低在加工、运输、安装等过程中的难度，机械都不可能是一个连续的整体。在绝大多数情况下机械都是由各种零件按照具体的要求组合的一起的，这种零件、部件之间的组合就形成了“机械之间的结合面”，简称“结合面”。机械结合面是机械系统中一种固有的结构形式，在外加载荷的作用下机械结合面表现出同时具有弹性和阻尼的复杂的动力学特性，这一特性的复杂性对机械系统整体的动态性能也产生了相当大的影响。例如，在机床结构中结合面的弹性和阻尼通常比结构本身的弹性和阻尼还大，所以对机床的整体动态性能来说结合部有着关键的影响。事实说明，在进行机床动态特性分析时，建立准确的机械结构模型的关键是在于能否获得合理的结合面动力学参数以及能否获得机械结合面本身的动态特性的作用机理和动态表现。所以研究机械结合面的动态特性对机床整体的动态特性分析具有重要意义。

结合的面刚度是机械结构整体刚度的重要组成部分，有时机械整体刚度的薄弱环节通常也出现在结合面处。以机床结构为例，机床结构结合面的接触刚度约占机床总刚度的60%-80% ，也就是说机床上60%以上的震动问题都是源自结合面。如果结合面的刚度过低，其他构件的刚度再高也不能保障机床的正常运行。所以，结合面的接触刚度对机械结构的动态特性，特别是机床的振动特性至关重要。