外文翻譯--動力減振鏜桿結構參數(shù)優(yōu)化

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附錄 A 動力減振鏜桿結構參數(shù)優(yōu)化 摘要：深孔鏜削過程中，鏜桿不可避免產(chǎn)生振動，影響孔的加工質量，為了提高加工質量，本文針對動力減振鏜桿建立力學模型，通過對模型的研究得出減振器的最優(yōu)參數(shù)，應用 力學仿真軟件和試驗驗證了理論優(yōu)化的正確性。通過和普通鏜桿對比分析，結果表明動力減振鏜桿有效地達到了減振效果。 關鍵詞：減振器結構；動態(tài)性能；參數(shù)優(yōu)化 1．引言 在深孔鏜削過程中，受到孔的尺寸限制，鏜桿長徑比較大，剛度小，固有頻率低，在受到機床自身激勵和外部激勵時，很容易發(fā)生振動，影響工件的加工精度和表面質 量。三菱公司通過減輕鏜桿頭部的的重量來提高鏜桿的剛度，美國司生產(chǎn)的減振鏜桿 (最大長徑比 L /D = 8 ) 主要采用特殊材料來提高鏜桿靜剛度 ,這些方法受到長徑比的限制。 動力減振鏜桿可以進一步提高長徑比，在深孔加工方面具有很大的優(yōu)勢。過對附加在鏜桿上的減振器的參數(shù)進行優(yōu)化來實現(xiàn)對主系統(tǒng)的減振，減振器包括彈簧，阻尼和減振塊。在載荷作用下， J u 研究了減振器螺旋彈簧的慣性效應對鏜桿動態(tài)特性的影響。 人基于蟻群算法設計出可調動態(tài)減振器。這些方法所設計出的動力減振鏜桿成本較高，結構復雜，維護麻煩，當前應用不廣泛。 針對上述問題，下面將采用虛擬樣機技術，在 境下進行減振器結構優(yōu)化，最后進行實驗驗證，通過對比分析，表明理論優(yōu)化的結果、仿真結果和實驗結果基本一致，降低了設計成本。 2．動力減振鏜桿理論及建模 動力減振是將主系統(tǒng)的能量轉移到減振器系統(tǒng)上，減小主系統(tǒng)的振動。減振鏜桿結構如圖 1 所示，建立的力學模型如圖 2 所示。動力學方程可表示為 主系統(tǒng)的振動幅值為 對不同的ξ值所作出的主系統(tǒng)的 幅頻響應曲線如圖 3 所示，當ξ =∞時，鏜桿和減振器之間沒有相對運動，成為單自由度系統(tǒng)，時其幅頻曲線只有一個峰值，等效于普通鏜桿。當 ξ介于 0 和∞之間時，系統(tǒng)為兩自由度，產(chǎn)生兩個共振點。阻尼的存在使主系統(tǒng)的共振幅值減少，但并不能完全消除主系統(tǒng)的振動。圖 3中所有的曲線都相交于 P、 Q 兩點 , 表明 P、 Q 兩點的頻率和幅值與 ξ的變化無關，得出方程式為 求出 P、 Q 兩點的頻率 ,帶入 ( 2 )式得到 P、 ( 2 ) 、 ( 3 ) 式可以看出，對確定的主系統(tǒng)而言，幅值和頻率取決于減振器的質量和 彈簧。減振器最理想的結構參數(shù)應該是在 P、 Q 兩點達到峰值，并且數(shù)值相等。根據(jù)這種思路，可按下述步驟選擇減振器的最優(yōu)參數(shù)。 對于確定的主系統(tǒng)和選定的減振塊質量，結構最優(yōu)參數(shù)解為： 進而確定減振器的剛度 在 P、 Q 兩點取駐點的條件下，求得減振器的阻尼率ξ 3．動力學仿真 為了驗證所建模型的有效性，在 環(huán)境下進行仿真。應用 刀頭端部創(chuàng)建輸入和輸出通道，然后進行系統(tǒng)的振動分析，通過仿真計算，在后處理模塊中得出系統(tǒng)的模態(tài)和頻響函數(shù) 。 減振器初始參數(shù) ， 102 ? ， 10? 。鏜桿桿體的結構尺寸：直徑 D = 0. 016 m ,長度 L =0. 192 m ,長徑比為 12: 1；材料屬性：密度ρ = 7 801 kg/m，彈性模量 E = 2. 07E + 011 N /松比ν = 0. 29。根據(jù)結構圖建立振動模型。 減振塊質量的變化對幅頻曲線的影響。當 m 2 = 0. 02 ，得到前兩階自然頻率為 253 452 振時的最大幅值為 - 95. 16 - 103. 3 m 2 = 0. 10 ，前兩階的自然頻率為 128 406 振時的最大幅值為 - 95. 2 95. 3 不同的質量值繪制主系統(tǒng)的幅頻響應曲線如圖 4 所示。可以看出自然頻率隨著減振塊質量的增加而降低，當外部激勵的頻率與主系統(tǒng)的自然頻率接近時，可以通過修改減振塊質量的方法來避免發(fā)生共振，而減振塊質量對幅值的影響不敏感。 圖 4 頻響函數(shù)隨質量變化曲線 阻尼的變化對幅頻特性曲線的影響。當 10 N s/m 時，前兩階自然頻率為 253 452 振時最大幅值為 - 94. 75 - 103. 24 2 N s/m ,前兩階的自然頻率為 253 452 共振時最大幅值為 - 90. 11 和 - 95. 49 5 為振動分析后繪制的頻響曲線圖，表明阻尼的變化對幅值的影響比較大，幅值隨阻尼的增大而減小，當共振不可避免時，通過修改阻尼來減小振幅，而阻尼對自然頻率的影響不太明顯。 圖 5 頻響函數(shù)隨阻尼變化曲線 剛度的變 化對幅頻特性的影響。當剛度 10 m 時，前兩階的自然頻率為 253 452 振時的最大幅值為 - 94. 71 - 108. 20 當 200 m 時，前兩階的自然頻率為 284 898 共振時的最大幅值為 - 90. 27 - 110. 06 6 為繪制的頻響函數(shù)圖，表明自然頻率隨剛度的增加而增大，剛度的變化對幅值的影響比較大，通過修改剛度可避免共振和調整幅值。 圖 6 頻響函數(shù)隨剛度變化曲線 4．減振 優(yōu)化 根據(jù)動力減振鏜桿振動分析模型，以減振器的剛度和阻尼作為設計變量，使用 量和振動宏作為目標函數(shù)，使目標函數(shù)最小。約束條件為振動幅值小于減振器和鏜桿內腔之間的距離，優(yōu)化采用 義遞減梯度算法。參數(shù)優(yōu)化的目的就是在給定的鏜桿結構和減振塊質量一定的條件下，優(yōu)化出減振器的剛度和阻尼參數(shù)，當采用最優(yōu)參數(shù)時主系統(tǒng)的振動幅值最小。當減振塊質量 m 2 =0. 021 44 化后的曲線和普通鏜桿曲線如圖 7 所示。 圖 7 普通鏜桿和優(yōu)化后減振鏜桿 優(yōu)化后減振器的參數(shù)是 58 662 N /m， 22. 34N s/m，前三階的自然頻率為 228 309 392 兩階的自然頻率的比值 0. 7378，根據(jù)公式 ( 4)計算出前兩階自然頻率的比值為 0. 7376,相對誤差為 0. 04%。仿真優(yōu)化的阻尼率為 0. 221,公式 ( 6)得出的阻尼率為 0. 216,相對誤差為 2. 2%。根據(jù)上述定量分析，得出仿真優(yōu)化和理論優(yōu)化結果基本一致，表明仿真優(yōu)化有效可行。 從圖 7 中可以看出，在激勵條件不變的情況下，與普通鏜桿相比，減振鏜桿的 振型得到明顯的改善，振型變得更加光滑，幅值也明顯減小。共振時最大幅值為 - 102. 33 據(jù)信號處理理論，實際幅值和曲線幅值的對應關系 M 仿真曲線幅值，根據(jù)上式得到實際振幅為 0. 007 6 通鏜桿與優(yōu)化減振鏜桿對比見下表，表明在長徑比較大的情況下，動力減振鏜桿振動幅值僅是普通鏜桿幅值的 23%，具有很好的減振效果。 5. 結論 在動力學仿真技術的基礎上，較為系統(tǒng)的探討了動力減振鏜桿的動態(tài)特性，以及減振器參數(shù)的變化對主系統(tǒng)的影響，并對參數(shù)進行優(yōu)化，參數(shù)優(yōu)化結果和 理論優(yōu)化結果吻合良好，最后通過和加工范圍。該方法對于進一步提高深孔加工領域的水平和相關技術的研究具有十分重要的理論意義和實際應用價值。 參考文獻 [1] D G H Y K of J ]. 003, 60 ( 1) : 115～ 124. 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As be as of to in to of by to of of to of z of in of 10 N s / m, 53 Hz 52 of 94. 75 dB 103. 24 2 N s / m, 53 Hz 52 of 90. 11 95. 49 of in of by to of of z in of of 10 m, 53 Hz 52 at 94. 71 dB 108. 20 200 m, 84 Hz 98 at 90. 27 dB 110. 06 of of of on be by of z . to of as a in as so of is of of is in a to of of of of m 2 = 0. 021 44 of in . z of is 58 662 N / m, 22. 34N s / 28 309 Hz 92 of of to 4) to of of 6) .2 to to is be in of in is 102. 33 on of 00 (7) M to of . 007 6 of in in of is an 3% of of to ar dB mm z 38 12:1 2:1 5. n on of of as as on of of to of of 1] D G H Y K of J ]. 003, 60 ( 1) : 115～ 124. [2] G , of p of a ic J ]. I 995, 35 ( 1) : 91～ 108. [3] G B W Op um m J ]. 1981, 9: 251～ 262. [4] J u . on of sp of on ic of a to a J ]. 2006, 297 ( 3- 5) : 981～ 999. [5] am ic by op J ]2008, 86 ( 13～14) : 1539～ 1549.