基于线性多体传递矩阵法的重型机床-地基基础系统(HDMTFS)动态特性研究

doi:10.3901/JME.260251

机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (5): 357-373.doi: 10.3901/JME.260251

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基于线性多体传递矩阵法的重型机床-地基基础系统(HDMTFS)动态特性研究

姜凯¹, 刘志峰^2,3, 程强³, 陈传海², 张涛³

1. 重庆理工大学机械工程学院重庆 400054;
2. 吉林大学数控装备可靠性教育部重点实验室长春 130025;
3. 北京工业大学机械工业重型机床数字化设计与测试重点实验室北京 100124

收稿日期:2025-02-09 修回日期:2025-05-08 发布日期:2026-04-23
作者简介:姜凯(通信作者),男,1991年出生,博士,讲师,硕士研究生导师。主要研究方向为界面力学、高性能装配技术以及数控机床动力学。E-mail:jiangkai@cqut.edu.cn
刘志峰,男,1973年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为数控机床可靠性理论与技术、高性能装配理论与技术以及智能制造技术。E-mail:lzfjlu@jlu.edu.cn
程强,男,1979年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为数控机床可靠性与精度保持性技术、智能运维以及智能制造技术。E-mail:chengqiang@bjut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金青年科学基金C类(52505543)、重庆市自然科学基金(CSTB2024NSCQ-MSX0121)、重庆市教委科学技术研究(KJQN202401109)、重庆理工大学科研启动基金(0119230979)、吉林大学数控装备可靠性教育部重点实验室开放基金(JU-cncr-202405)和国家自然科学基金联合基金资助项目。

Research on Dynamic Characteristics of the Heavy-duty Machine Tool- foundation System(HDMTFS) Based on the Linear Multi-body Transfer Matrix Method

JIANG Kai¹, LIU Zhifeng^2,3, CHENG Qiang³, CHEN Chuanhai², ZHANG Tao³

1. College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054;
2. Key Laboratory of CNC Equipment Reliability, Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130025;
3. Machinery Industry Key Laboratory of Heavy Machine Tool Digital Design and Testing Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124

Received:2025-02-09 Revised:2025-05-08 Published:2026-04-23

摘要/Abstract

摘要： 在机床设计与制造初期，精确预测其动态特性是确保高端数控装备可靠性的关键。然而，重型机床因其庞大的尺度和复杂的结构，使得传统的多体动力学和有限元技术在高效、准确解析其系统动态性能方面面临显著挑战。此外，该类型机床又包含诸多的非线性栓接结合部，其影响更不容忽视。为深入研究重型机床-地基基础系统(Heavy-duty machine tool - foundation system，HDMTFS)的动态特性，考虑栓接结合部影响，创新性地引入包含X、Y、Z、R_x、R_y和R_z方向刚度的空间铰传递矩阵，基于线性多体系统传递矩阵法，构建更符合工程实际的HDMTFS动力学模型。该模型不仅能有效探究机床系统的自由振动特性，还可分析关键栓接部位性能退化对整机动态特性的影响，从而识别系统的薄弱环节，为重型机床大型构件的栓接可靠性设计提供重要理论指导。

关键词: 重型机床-地基基础系统, 动态特性, 栓接结合部, 多体传递矩阵法

Abstract: During the initial phase of machine tool design and manufacturing, accurate prediction of dynamic characteristics is essential for ensuring the reliability of high-end CNC equipment. However, conventional multi-body dynamics and finite element methods encounter substantial challenges in effectively and precisely analyzing the system's dynamic performance, owing to its substantial scale and intricate structural complexity. Moreover, this type of machine tool incorporates numerous nonlinear bolted joints, whose influence cannot be neglected. To study the dynamic characteristics of the heavy-duty machine tool-foundation system(HDMTFS), considering the influence of bolted joints, the spatial hinge transfer matrix of stiffness in X, Y, Z, R_x, R_y and R_z directions is introduced. Based on the transfer matrix method for the multi-body system(MSTMM), a dynamic model of the HDMTFS that is more in line with engineering is established. The model enables comprehensive analysis of both the machine tool system’s free vibration characteristics and the impact of performance degradation in critical bolted joints on the overall dynamic behavior. By identifying system vulnerabilities, it provides essential theoretical foundations for reliability-oriented design of bolted connections in the heavy-duty machine tool.

Key words: HDMTFS, dynamic characteristics, bolted joints, MSTMM

中图分类号:

TG156

姜凯, 刘志峰, 程强, 陈传海, 张涛. 基于线性多体传递矩阵法的重型机床-地基基础系统(HDMTFS)动态特性研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(5): 357-373.

JIANG Kai, LIU Zhifeng, CHENG Qiang, CHEN Chuanhai, ZHANG Tao. Research on Dynamic Characteristics of the Heavy-duty Machine Tool- foundation System(HDMTFS) Based on the Linear Multi-body Transfer Matrix Method[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2026, 62(5): 357-373.

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基于线性多体传递矩阵法的重型机床-地基基础系统(HDMTFS)动态特性研究

Research on Dynamic Characteristics of the Heavy-duty Machine Tool- foundation System(HDMTFS) Based on the Linear Multi-body Transfer Matrix Method

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