【摘 要】
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随着制造业的迅速发展,机床行业正朝着高速高精的方向发展,而传统以铸铁或钢材为主的机床构件的性能优化已接近极值,因此,寻找一种高性能的新材料以满足机床行业的发展迫在眉睫。而近年来,树脂混凝土材料在机床基础件中的应用得到了广泛的关注。同时,构件疲劳损伤是制造业所面临的一个重要问题,机床基础件发生破坏后,会影响机床整机性能及加工精确度,因此需要对其进行疲劳寿命研究。具体研究内容及成果包括以下几方面:(1
【基金项目】
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国家自然科学基金(51965037);
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随着制造业的迅速发展,机床行业正朝着高速高精的方向发展,而传统以铸铁或钢材为主的机床构件的性能优化已接近极值,因此,寻找一种高性能的新材料以满足机床行业的发展迫在眉睫。而近年来,树脂混凝土材料在机床基础件中的应用得到了广泛的关注。同时,构件疲劳损伤是制造业所面临的一个重要问题,机床基础件发生破坏后,会影响机床整机性能及加工精确度,因此需要对其进行疲劳寿命研究。具体研究内容及成果包括以下几方面:(1)研究了树脂混凝土机床基础件相关的损伤理论及方法,推导了机床基础件发生损伤时的本构方程,并确定了其损伤演化方程。对预估树脂混凝土机床基础件裂纹形成寿命的变分法原理进行了讨论,并给出了其欧拉方程及其边界条件。(2)以CK5116型数控机床为研究对象,设计出了其树脂混凝土材料的立柱模型,分析了其静态特性、动态特性以及谐响应特性,并与传统的铸铁材料机床立柱的分析结果进行对比。结果表明:树脂混凝土材料机床立柱满足了轻量化的设计要求,且静刚度有所提升,其最大响应振幅在X轴、Y轴、Z轴的振幅缩减率依次为:55.18%、77.27%、20.88%。证明了树脂混凝土机床立柱具有更优越的抗振性能,验证了树脂混凝土材料在机床基础件上应用的可行性。(3)建立了树脂混凝土机床基础件的损伤力学模型,并与常用的损伤模型的计算结果做了对比分析。结果表明:使用Loland模型建立的损伤力学模型所得结果的误差为5.53%,使用Mazars模型所得结果的误差为14.82%,而使用新建立的树脂混凝土机床基础件损伤模型的误差为2.69%,因此,新建立的损伤模型在建立树脂混凝土机床基础件的损伤力学模型时精度更高。(4)在大范围损伤情况下,首先推导了一般性构件预估裂纹形成寿命时的解答公式。进而推导出预估树脂混凝土机床基础件裂纹形成寿命Ncr的封闭解答公式。以CK5116机床立柱为研究对象,在不同载荷条件下,求解了其裂纹形成寿命及对数寿命,并给出了其正应力-对数寿命曲线,且依据所建立的树脂混凝土机床基础件损伤力学模型,得出其在不同载荷所对应的正应力下的损伤值,通过分析计算得到的数值,验证了所推导方法的可行性。
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