基于虚拟材料的结合面建模与参数获取方法_贾文锋

来源：网络收集时间：2026-09-11

导读： 123 第34卷第5期太原科技大学学报Vol．34No．5 2013年10月JOUＲNALOFTAIYUANUNIVEＲSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYOct．2013 文章编号：1673－2057（2013）05

123

第34卷第5期太原科技大学学报Vol．34No．5

2013年10月JOUＲNALOFTAIYUANUNIVEＲSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYOct．2013

文章编号：1673－2057（2013）05－0347－05

基于虚拟材料的结合面建模与参数获取方法

贾文锋，张学良，温淑花，陈永会，杨

(太原科技大学机械工程学院，太原030024)

摘

要：依据结合部相互接触表层结构形式，提出一种基于虚拟材料的固定结合面建模方法，根据

波

结合面的大小和结合部相互接触表层厚度来设定虚拟材料长宽及厚度，利用结合面元单元接触刚度矩实现了利用结合面元法阵与虚拟材料的实体单元刚度矩阵之间的等效原则获得虚拟材料的特性参数，建模所获得的结合面实验数据的工程应用，并借助实例验证了该方法的可行性。

关键词：结合面;特性参数;虚拟材料;ANSYS中图分类号：TH113

文献标志码：A

doi：10．3969/j．issn．1673-2057．2013．05．006

机床为了满足各种功能与性能要求，一般都不是连续的整体，进而导致了结构问题的复杂性，这是由于结合部中存在着接触刚度和接触阻尼

［1］

识别方法得到的结合面刚度、阻尼数据难以直接应用于实际工程，且刚度、阻尼不像弹性模量、泊松比、密度等能表示材料固有特性那样来表示结合面的属性。因此，进一步进行结合面建模的研究将对机床结构整机高精度动力学建模具有重要意义。

基于此，本文提出基于虚拟材料的结合面建模

。随着

机床高速、大载荷、高精度要求的不断提高，人们对机并械结合面建模及参数识别方法越来越予以重视，提出了一些方法与应用

03-09收稿日期：2013-［2-3］

，但一般传统建模及参数

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51275328）；山西省自然科学基金资助项目（2012011023－4）；山西省回国留学人员科

研资助项目（2011－076）；山西省研究生优秀创新项目（20123103）

作者简介：贾文锋（1984－），男，硕士，主要研究方向为机械结构动态特性。

檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳檳

AnImprovedTechnologyonCPSO-BPNeuralNetworkFaultDiagnosis

WANGHui1，DONGZeng-shou1，ZHANGChun-mei2

（1．TaiyuanUniversityofScienceandTechnology，Taiyuan030024，China；2．Xinjiang69028Troops，

Wulumuqi830006，China）

Abstract：ACPSO-BPneuralnetworkisproposedduetotheslowconvergencespeedandlowdiagnosticaccuracyoftheBPneuralnetworkforfaultdiagnosisofhydraulicpump．TheCPSO-BPneuralnetworkwithchaoticmotiontoimprovePSOalgorithmcanovercometheshortcomingsofprecociousPSOalgorithm．CPSOalgorithmwasusedtooptimizetheweightsandthresholdsofBPnetworkforfaultdiagnosisofhydraulicpump，thenwascomparedwiththePSO-BPnetworkdiagnosticresults．Experimentsshowthatthefaultdiagnosiscapacityanddiagnosticaccuracyofthenetworkhavebeeneffectivelyimproved．

Keywords：hydraulicpump，faultdiagnosis，chaotic，particleswarmoptimization，BPneuralnetwork

123

348太原科技大学MA

学报Ax

2013年

方法，该方法利用结合面元单元接触刚度矩阵与虚拟材料的实体单元刚度矩阵之间的等效原则获得虚拟材料的固有的特性参数，并用这些参数来代替传统建模及参数识别的结合面的特性参数，从而能方便实现实验数据的工程应用。

[

]{x}[[]

+［KJC］

]{x}{0}

（1）

［KJ其中，其构建C］为结合面的接触刚度矩阵，4］．详见文献［

对图1（b），应用有限元方法可以建立其无阻尼自由振动的动力学方程为：



MA KA xA xC+ MC Mx

1基本思路

结合部是由两个子结构厚度很小的接触表层

构成的，从理论上可以将其等效成某种厚很小的虚拟材料，且假定该虚拟材料分别与两子结构之间是固定连接。如图1所示，其中图1（a）是由两个子结构连接构成的结构，中间部分是相互接触部分即结C即是合部，图1（b）是基于这种思想的等效结果，具有一定厚度的虚拟材料。

在对图1（a）的结构进行有限元划分时，两个子结构在结合面处所划分的单元数目和大小应对应4］提出的结合面相同且位移模式相同，根据文献［元法可以建立其无阻尼自由振动的动力学方程为

：

{}

x= CKB xB

{}{}

000（2）

由于假设的虚拟材料层的厚度非常薄（远远小于零件的尺寸），则C部分的质量可以忽略即：Mc=0．同样因为虚拟材料部分的厚度非常小，在进行有限元单元体划分时可以将其划分为单层。通过对（式（2））位移矩阵和刚度矩阵的观察发现，在进行总质量和总刚度方程的组装时，虚拟材料C部分的上节点和相应的自由度，包含在A部分与其相接节点上，其下节点和相应的自由度包含在B部分与其相接的节点上。这样式（2）中并没有出现新的节点而仅仅是结构对应节点的矩阵的叠加。和自由度，

将式子（2）按结构的对应节点叠加形式得到如下方程：

…

j－1

x=x AC

x =0 C bj KB+KBx=xB C C

xj－1

…

xjB－1

x1A

图1结合面示意图

Fig．1Thediagramofthejointsurfaces

MA+MC

MCC

…

i－1 xA

ax=x AC cx + C bi  MB+MBx=xB C C

xiB－1

…

xiB－1

1xA

KA+KC

KCC

（3）

由于虚拟材料模型中C的质量可以忽略，那么

ABMC、MC为0．在进行有限元单元划分时虚拟材料是按照单层单元进行划分的所以没有引进新的自由

KCxCMC度，C，C，C均不存在。

对式（1）与式（4）的比较发现，要使应用结合面元法建立的含有结合面的结构动力学模型与应用有限元法建立的含有结合面的结构动力学模型等效，KJK*．需将结合面部分的刚度矩阵等效，即［C］=［C］

KJK*通过上面分析可知，要实现［C］与［C］之间只需使结合面元的单元接触刚度矩阵与虚的等效，

拟材料的有限单元刚度矩阵等效即可。

应用结合面元法，得到结合面元的单元接触刚

[

将式（3）简化为：

AMAKAx+BMBx

]{}[[

]

+［K*C］

]{x}{0}

（4）

123

第34卷第5期度矩阵为

［4］

贾文锋，等：基于虚拟材料的结合面建模与参数获取方法349

：

［KeC］24×24=

∫∫

［N'］［k'］N'］（5）24×66×6［6×24dse

［k'］=

[－［k］

［k］－［k］0

0 tn

]［k］

（6）

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