现代数控装备正在向高速、高精度、高可靠性方向发展,而机床功能部件性能保持能力在很大程度上阻碍了我国机床行业的发展。数控刀架作为最重要的功能部件之一,其动、静态特性在很大程度上直接影响和决定机床整机的精度和刚度匹配。相关研究表明螺栓结合面对机床整机以及数控刀架力学特性影响显著。螺栓连接成本低、制造简单,并广泛应用于现代装备结构中,螺栓连接的动态特性直接影响整机的性能。螺栓连接力学特性的建模方法一直是机床及数控刀架整机建模研究的重点和难点。为了建立较为准确的整机模型,必须对螺栓固定结合面的建模方法以及非线性力学行为进行研究。本文在国家科技重大专项(No.2012ZX04002032,No.2013ZX04012032)的资助下开展螺栓固定结合面建模方法和非线性特性分析的研究和探索工作。从螺栓固定结合面的有限元建模方法研究出发,对螺栓固定结合面的动态特性和非线性振动开展研究工作。围绕预紧力、外载荷和螺栓设计参数对螺栓连接动力学特性影响、螺栓固定结合面非线性参数识别方法、螺栓固定结合面非线性动力学实验以及螺栓固定结合面有限元建模在数控刀架端齿盘结构中的优化等关键问题逐步展开研究。论文的主要内容包括以下几个方面:1、研究了 7种不同的螺栓有限元建模方法,包括预紧力模型、热应力模型、梁单元模型、MPC约束法、刚性连接模型、等效接触面积方法、虚拟材料模型等,并通过模态实验验证建模方法的准确性。以模态试验结果为依据,对比和讨论了不同螺栓连接有限元模型的优缺点,为后续数控刀架整机建模和端齿盘结构优化分析提供研究手段和依据。2、通过扫频和脉冲激励实验方法研究螺栓结合面动力学行为,研究预紧力和外载荷力等因素对螺栓固定结合面振动传递特性的影响。分析结果表明,螺栓连接结构的动力学特性直接受到预紧力和外载荷的影响,并表现出不同程度的非线性,这为后续螺栓固定结合面非线性动力学实验和参数识别方法的研究提供了重要的依据和支撑。同时,讨论公称直径、螺栓数目等设计参数对螺栓连接力学特性的影响,将焊接的连接方式和螺栓连接方式进行相比。3、提出等效线性函数法的非线性动力学参数识别方法。等效线性函数法基于谐波平衡法理论,识别精度高,表现出较好的工程应用前景。非线性弹簧和阻尼力通过谐波平衡法的一阶近似展开可推到出等效线性函数,等效线性刚度和阻尼随着响应幅值的变化而改变,可完成非线性动力学模型确认和参数识别。数值分析结果证明等效线性函数法可完成典型数值案例非线性参数识别,包括立方刚度、五次方刚度、库伦摩擦阻尼、分段线性刚度、双线性刚度、复合非线性等7种非线性模型。数值案例成功证明等效线性函数法可用于不同类型非线性的参数识别,并取得理想的识别精度,可有望用于实际非线性结构的检测和建模,解决螺栓固定结合面动力学模型确认问题。4、搭建螺栓固定结合面非线性振动实验平台,并完成螺栓固定结合面非线性动态特性实验。等效线性函数法应用于螺栓固定结合面非线性参数识别研究。识别结果具有一定的精度,在一定程度上反映螺栓固定结合面软刚度和硬阻尼的非线性特性,并证明螺栓连接结合面高阶多项式非线性弹簧和阻尼力的存在。提出恒响应扫频实验方法,恒响应扫频实验需不断调整基础激励输入的大小以严格控制响应点输出,适合一些精密设备和仪器的非线性测试。这也为等效线性函数法用于其他工业装备非线性参数的识别研究提供了重要的实验和理论依据。5、根据数控刀架的结构特点、工作原理、端齿盘设计原则及工作状态下的受力状态,应用螺栓结合面建模方法,建立数控刀架有限元模型,辨识刀架刚度薄弱环节,优化端齿盘齿形结构,包括齿形角、齿数、内外齿长比、齿根宽。依据国标规范和相关测试标准,提出数控刀架静刚度测试方案,搭建静刚度测试平台,完成数控刀架静刚度测试,验证了数控刀架有限元模型的合理性,同时试验结果也为端齿盘结构优化和刀架可靠性分析提供数据。论文从数控刀架整机建模出发,开展螺栓连接力学特性关键技术研究。在螺栓固定结合面有限元建模方法、螺栓连接动态特性影响因素,螺栓结合面非线性动力学实验及参数识别方法等方面取得了阶段性成果。