深孔加工中鉆桿系統(tǒng)非線性動(dòng)態(tài)行為研究.pdf

1、隨著冶金、核電和兵器工業(yè)對(duì)深孔加工高效率、高精度、高可靠性的不懈追求,對(duì)深孔加工及其鉆桿系統(tǒng)的研究越來(lái)越受到重視。然而,由于深孔鉆削機(jī)理的復(fù)雜性及加工條件的多樣性,如何在保證非線性分析所需精度的條件下,高效地計(jì)算鉆桿系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡、切削液流體力等成為深孔加工中的熱點(diǎn)和關(guān)鍵問題。人們采用了包括將鉆桿系統(tǒng)簡(jiǎn)化為解析、數(shù)值形式的Euler-Bernoulli梁模型求解及經(jīng)驗(yàn)方程等多種方法,但到目前為止,尚未得到很好的解決。故此,本文在前人工作

2、的基礎(chǔ)上,研究深孔加工過程中鉆桿系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)行為及其關(guān)鍵技術(shù),為分析解決實(shí)際深孔加工鉆桿系統(tǒng)中出現(xiàn)的眾多動(dòng)力學(xué)行為提供參考,具有重要的理論意義及工程應(yīng)用價(jià)值。依據(jù)實(shí)際深孔加工中非線性流體動(dòng)壓力應(yīng)滿足的物理?xiàng)l件,以近似解析解為基礎(chǔ),在研究鉆桿轉(zhuǎn)速、渦動(dòng)速度及鉆桿偏心率等因素影響的基礎(chǔ)上,建立了有限長(zhǎng)鉆桿所承受的切削液流體動(dòng)壓模型。針對(duì)切削液非線性流體力的分析與計(jì)算,闡明了切削液非穩(wěn)態(tài)流體的動(dòng)壓特性,并結(jié)合鉆桿運(yùn)動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)等

3、改變時(shí)對(duì)非線性切削液流體力分布變化規(guī)律的影響,揭示了切削液流體力引起鉆桿渦動(dòng)和失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理,得出了對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐有指導(dǎo)意義的鉆桿間隙系數(shù)及其選擇準(zhǔn)則。證明了深孔加工切削液流體Reynolds方程的等價(jià)變分形式,運(yùn)用變分約束原理,按照切削液流體的物理特性,形成了修正的Reynolds方程變分形式及其擾動(dòng)方程。在不增加計(jì)算量的情況下,求得了非線性流體力及其Jacobian矩陣,并且使其具有相互協(xié)調(diào)一致的精度。通過深孔加工鉆桿系統(tǒng)切削液非線性流

4、體力解析模型與有限元數(shù)值計(jì)算模型的對(duì)比,獲得了現(xiàn)有的非線性切削液流體力解析模型的適用范圍和近似程度?；趥鹘y(tǒng)打靶法的求解思想,設(shè)計(jì)了一種將周期值作為參數(shù)一起參與打靶迭代的算法,通過優(yōu)化確定迭代過程中的增量值。針對(duì)單孔和槽孔兩種孔結(jié)構(gòu)形式,將非線性切削液流體力及其Jacobian矩陣聯(lián)合求解法與改進(jìn)的打靶法及Floquet理論相結(jié)合,得到了不同加工參數(shù)條件下鉆桿中心的運(yùn)動(dòng)軌跡,分析了包括偽周期、倍周期、跳躍等在內(nèi)的各種復(fù)雜現(xiàn)象,從深度和廣

5、度兩個(gè)方面給出了鉆桿的運(yùn)動(dòng)軌跡特征。以轉(zhuǎn)速為分岔參數(shù),分析了不同轉(zhuǎn)速下鉆桿的穩(wěn)定性、分岔特性及渦動(dòng)軌跡特征,發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量偏心對(duì)系統(tǒng)的增穩(wěn)作用,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上述理論分析方法的正確性和有效性。依據(jù)廣義Hamilton原理研究了深孔加工多跨柔性回轉(zhuǎn)鉆桿系統(tǒng)橫向振動(dòng)的變分問題,在考慮剪切變形和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的前提下,建立了基于Timoshenko梁?jiǎn)卧Ｐ偷亩嗫缛嵝曰剞D(zhuǎn)鉆桿橫向振動(dòng)的有限元模型。基于自由界面模態(tài)綜合技術(shù),提出了一種系統(tǒng)自由度縮減的方法

6、。對(duì)實(shí)際深孔加工多跨柔性回轉(zhuǎn)鉆桿系統(tǒng)的分析結(jié)果表明,該降階方法在保證非線性分析精度的前提下,可縮減鉆桿系統(tǒng)大量的自由度數(shù),有效地節(jié)約計(jì)算資源,可以滿足大型復(fù)雜深孔加工裝備的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)需求,并獲得了鉆桿設(shè)計(jì)參數(shù)、鉆桿長(zhǎng)度和輔助支撐位置對(duì)鉆桿系統(tǒng)固有頻率的影響規(guī)律,得到了加工單孔和槽孔時(shí)不同鉆桿轉(zhuǎn)速及切削深度參數(shù)空間中鉆桿運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定區(qū)域、失穩(wěn)邊界和失穩(wěn)方式。建立了振動(dòng)切削深孔加工多跨柔性回轉(zhuǎn)鉆桿系統(tǒng)的有限元模型,該模型在普通深孔鉆桿模型的基