本技術(shù)涉及結(jié)合部建模，具體涉及一種螺栓結(jié)合部虛擬接觸面元建模方法、裝置及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、高檔數(shù)控機床是現(xiàn)代制造裝備的工作母機，實現(xiàn)高性能及高精密數(shù)控機床設(shè)計、制造及生產(chǎn)的自主化是制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的必由之路。數(shù)字仿真技術(shù)可以在設(shè)計階段就實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的動、靜力學分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，極大的縮短設(shè)計生命周期并提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，其關(guān)鍵在于建立準確的數(shù)字化模型?，F(xiàn)有的有限元軟件已經(jīng)能很好的實現(xiàn)床身、立柱等單個部件的數(shù)字化建模，然而，對于部件之間的連接部分（通常稱之為結(jié)合面），通用的有限元軟件尚無法提供準確的數(shù)學模型。機床通常由床身、立柱、工作臺、驅(qū)動機構(gòu)等部件通過相關(guān)結(jié)合部連接而成，相關(guān)研究表明，其60%以上的剛度以及90%左右的阻尼源于結(jié)合面。由此可見，建立準確的結(jié)合面的數(shù)字模型，是采用數(shù)字化仿真技術(shù)準確實現(xiàn)整個機床靜動態(tài)特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵因素之一。

2、螺栓是機床床身、立柱等大件連接中的關(guān)鍵性結(jié)合部，影響螺栓結(jié)合部動力學特性的因素眾多且相互交織，建立反應(yīng)實際接觸狀況的通用模型十分困難；而且，位于不同應(yīng)用場合的結(jié)合部，工作時的接觸狀態(tài)并不相同，模型參數(shù)也會發(fā)生變化，單個模型的具體參數(shù)無法用于結(jié)構(gòu)多變的工程結(jié)構(gòu)中，這些均為結(jié)合部模型工程應(yīng)用的阻礙，也是實現(xiàn)整機精確建模必須解決的關(guān)鍵問題。

3、圍繞結(jié)合部的建模問題，目前提出了各種不同的模型，按照建模的接觸形式，可分為基于點接觸類的模型、基于面接觸類的模型及基于體接觸類的模型?；邳c接觸類的模型通常采用各種類型的線性或者非線性的彈簧阻尼單元模擬結(jié)合部，其建模過程簡單方便，但傳統(tǒng)的彈簧阻尼模型通常忽略了法向、切向自由度之間的耦合作用，而且，當連接結(jié)構(gòu)本身的尺寸或者網(wǎng)格劃分情況發(fā)生變化時，需要調(diào)整彈簧阻尼單元的具體數(shù)目和具體分布位置以獲取高精度的建模，其建模過程與結(jié)構(gòu)本身及網(wǎng)格劃分情況有著重要的關(guān)系，模型的通用性尚有待提高。零厚度單元模型及八節(jié)點六面體模型反應(yīng)了面內(nèi)自由度間的耦合情況，其建模精度較高，但兩種模型的參數(shù)均較多，其建模過程十分復雜，不便于需要反復修改及迭代的優(yōu)化設(shè)計及相應(yīng)的工程應(yīng)用，模型的通用性不夠。

4、采用基于頻響函數(shù)的參數(shù)識別方法時通常將共振峰值附近的測試結(jié)果從修正方程中剔除。遠離共振峰值處的頻響函數(shù)對結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度比較低，由于靈敏度方程本身的病態(tài)特性，模型參數(shù)識別結(jié)果對噪聲比較敏感，這種方法識別結(jié)果的穩(wěn)定性較差。采用基于模態(tài)參數(shù)的識別方法時，由于實驗測試條件限制，實測模態(tài)具有不完備性，而模態(tài)凝聚或者擴展以及參數(shù)識別過程中均會引入一定的誤差。而且，當修正參數(shù)較多時，修正方程數(shù)目不夠且容易病態(tài)，參數(shù)識別的結(jié)果可能出現(xiàn)靜不定。

5、根據(jù)當前國內(nèi)外研究進展與成果可知，在在螺栓結(jié)合部動力學建模方面，仍存在著以下急需解決的問題：（1）在結(jié)合部動力學建模方面，點接觸模型未考慮實際接觸區(qū)域的大小，而體接觸模型普遍假設(shè)接觸表面的接觸應(yīng)力均勻覆蓋整個連接區(qū)域，均未充分考慮連接表面接觸的局部特性；（2）在結(jié)合部動力學模型參數(shù)識別方面，基于動態(tài)測試的參數(shù)識別方法基本上都是單獨采用模態(tài)參數(shù)或頻響函數(shù)進行參數(shù)識別。存在參與修正的方程過少，或者是修正方程高度相關(guān)、系數(shù)矩陣嚴重病態(tài)等問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本技術(shù)提供一種螺栓結(jié)合部虛擬接觸面元建模方法、裝置及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，其所建立的模型與螺栓結(jié)合部的實際情況吻合度較高，且識別結(jié)果的穩(wěn)定性較好。

2、第一方面，本技術(shù)實施例提供一種螺栓結(jié)合部虛擬接觸面元建模方法，所述螺栓結(jié)合部虛擬接觸面元建模方法包括：

3、基于螺栓結(jié)合部的接觸特性，建立虛擬接觸面元模型；

4、根據(jù)螺栓的連接參數(shù)進行接觸分析，以輸出徑向的接觸應(yīng)力，并根據(jù)所述接觸應(yīng)力確定虛擬接觸面元模型的幾何模型參數(shù)，調(diào)整連接參數(shù)，獲取不同連接參數(shù)下的幾何模型參數(shù)，以建立虛擬接觸面元模型的幾何模型參數(shù)庫；

5、構(gòu)建不含螺栓結(jié)合部的啞鈴模型，確定啞鈴模型的剛度矩陣及質(zhì)量矩陣，并賦予虛擬接觸面元模型的剛度參數(shù)，以構(gòu)建含螺栓結(jié)合部的整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣及質(zhì)量矩陣，通過模態(tài)分析獲取整體結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，調(diào)整賦予的虛擬接觸面元模型的剛度參數(shù)，獲取虛擬接觸面元模型剛度參數(shù)與整體結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)之間的映射關(guān)系；

6、獲取含螺栓結(jié)合部的啞鈴實體的模態(tài)參數(shù)，根據(jù)所述映射關(guān)系，確定虛擬接觸面元模型具體的剛度參數(shù)，調(diào)整啞鈴實體的預緊力矩，獲取不同預緊力矩下具體的剛度參數(shù)，以建立虛擬接觸面元模型的剛度模型參數(shù)庫。

7、結(jié)合第一方面，在一種實施方式中，所述基于螺栓結(jié)合部的接觸特性，建立虛擬接觸面元模型，包括：

8、基于螺栓結(jié)合部的接觸特性，分離出接觸影響區(qū)域與非接觸影響區(qū)域；

9、以接觸影響區(qū)域為幾何參數(shù)建立虛擬接觸面元模型，所述幾何參數(shù)包括接觸影響區(qū)域的影響半徑。

10、結(jié)合第一方面，在一種實施方式中，所述螺栓的連接參數(shù)包括連接板厚、螺栓直徑和螺栓預緊力矩。

11、結(jié)合第一方面，在一種實施方式中，所述調(diào)整連接參數(shù)值，獲取不同連接參數(shù)下的影響半徑，以建立虛擬接觸面元模型的幾何模型參數(shù)庫，包括：

12、通過改變采用apdl建立的螺栓結(jié)合部接觸分析命令流中連接板厚、螺栓直徑和螺栓預緊力矩，獲得不同接觸條件下的幾何模型參數(shù)值；

13、采用插值法構(gòu)建螺栓結(jié)合部幾何模型參數(shù)庫。

14、結(jié)合第一方面，在一種實施方式中，還包括：

15、以虛擬接觸面元模型的剛度參數(shù)為輸入，以啞鈴模型的模態(tài)參數(shù)為輸出，構(gòu)建虛擬接觸面元模型剛度參數(shù)與啞鈴模型模態(tài)參數(shù)之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；

16、采用深度學習的方法，獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)。

17、結(jié)合第一方面，在一種實施方式中，還包括：

18、根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及啞鈴實體前六階模態(tài)頻率，識別虛擬接觸面元模型具體的剛度參數(shù)；

19、將識別出的具體的剛度參數(shù)代入虛擬接觸面元模型，計算整體結(jié)構(gòu)前六階模態(tài)頻率；

20、計算啞鈴實體前六階模態(tài)頻率與整體結(jié)構(gòu)前六階模態(tài)頻率的誤差，若誤差滿足頻率約束條件，則輸出識別的具體的剛度參數(shù)，若誤差不滿足頻率約束條件，則調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)。

21、結(jié)合第一方面，在一種實施方式中，所述虛擬接觸面元模型的剛度參數(shù)包括接觸面內(nèi)的法向剛度和耦合系數(shù)。

22、結(jié)合第一方面，在一種實施方式中，構(gòu)建不同法向剛度和耦合系數(shù)下的啞鈴模型；

23、分析不同法向剛度和耦合系數(shù)下的啞鈴模型的前六階模態(tài)參數(shù)，以獲取虛擬接觸面元模型剛度參數(shù)與整體結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)之間的映射關(guān)系。

24、第二方面，本技術(shù)實施例提供了一種螺栓結(jié)合部虛擬接觸面元建模裝置，所述螺栓結(jié)合部虛擬接觸面元建模裝置包括：

25、建模模塊，其基于螺栓結(jié)合部的接觸特性，建立虛擬接觸面元模型；

26、第一識別模塊，其根據(jù)螺栓的連接參數(shù)進行接觸分析，以輸出徑向的接觸應(yīng)力，并根據(jù)所述接觸應(yīng)力確定虛擬接觸面元模型的幾何模型參數(shù)，調(diào)整連接參數(shù)，獲取不同連接參數(shù)下的幾何模型參數(shù)，以建立虛擬接觸面元模型的幾何模型參數(shù)庫；

27、第二識別模塊，其用于構(gòu)建不含螺栓結(jié)合部的啞鈴模型，確定啞鈴模型的剛度矩陣及質(zhì)量矩陣，并賦予虛擬接觸面元模型的剛度參數(shù)，以構(gòu)建含螺栓結(jié)合部的整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣及質(zhì)量矩陣，通過模態(tài)分析獲取整體結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，調(diào)整賦予的虛擬接觸面元模型的剛度參數(shù)，獲取虛擬接觸面元模型剛度參數(shù)與整體結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)之間的映射關(guān)系；

28、所述第二識別模塊還用于獲取含螺栓結(jié)合部的啞鈴實體的模態(tài)參數(shù)，根據(jù)所述映射關(guān)系，確定虛擬接觸面元模型具體的剛度參數(shù)，調(diào)整啞鈴實體的預緊力矩，獲取不同預緊力矩下具體的剛度參數(shù)，以建立虛擬接觸面元模型的剛度模型參數(shù)庫。

29、第三方面，本技術(shù)實施例提供了一種螺栓結(jié)合部虛擬接觸面元數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，所述螺栓結(jié)合部虛擬接觸面元數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包括如上述任意一種所述的螺栓結(jié)合部虛擬接觸面元建模方法所生成的幾何模型參數(shù)庫和剛度模型參數(shù)庫。

30、本技術(shù)實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果至少包括：

31、本技術(shù)中螺栓結(jié)合部虛擬接觸面元建模方法，其基于螺栓結(jié)合部的接觸特性，建立虛擬接觸面元模型；根據(jù)螺栓的連接參數(shù)進行接觸分析，以輸出徑向的接觸應(yīng)力，并根據(jù)所述接觸應(yīng)力確定虛擬接觸面元模型的幾何模型參數(shù)，調(diào)整連接參數(shù)，獲取不同連接參數(shù)下的幾何模型參數(shù)，以建立虛擬接觸面元模型的幾何模型參數(shù)庫；構(gòu)建不含螺栓結(jié)合部的啞鈴模型，確定啞鈴模型的剛度矩陣及質(zhì)量矩陣，并賦予虛擬接觸面元模型的剛度參數(shù)，以構(gòu)建含螺栓結(jié)合部的整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣及質(zhì)量矩陣，通過模態(tài)分析獲取整體結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，調(diào)整賦予的虛擬接觸面元模型的剛度參數(shù)，獲取虛擬接觸面元模型剛度參數(shù)與整體結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)之間的映射關(guān)系；獲取含螺栓結(jié)合部的啞鈴實體的模態(tài)參數(shù)，根據(jù)所述映射關(guān)系，確定虛擬接觸面元模型具體的剛度參數(shù)，調(diào)整啞鈴實體的預緊力矩，獲取不同預緊力矩下具體的剛度參數(shù)，以建立虛擬接觸面元模型的剛度模型參數(shù)庫。

32、即本技術(shù)在建模方面，充分考慮了螺栓結(jié)合部的實際接觸面積及接觸面內(nèi)的接觸應(yīng)力特性，建立了虛擬接觸面元模型，所建立的模型與螺栓結(jié)合部的實際情況吻合度高。

33、在參數(shù)識別方面，采用基于apdl語言的接觸分析，識別虛擬接觸面元的幾何參數(shù)；并采用深度學習的方法，識別虛擬接觸面元模型的剛度參數(shù)。

34、在應(yīng)用方面，采用matlab建立虛擬接觸面元的數(shù)據(jù)管理庫，用戶只需要通過管理界面輸入螺栓直徑、?連接板厚和預緊力矩后，即可獲得虛擬接觸面元的參數(shù)，應(yīng)用十分方便。