軸系若干動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究.pdf

1、隨著國(guó)際海事組織對(duì)船舶振動(dòng)噪聲要求日益嚴(yán)格，軸系作為船舶重要的振動(dòng)源和振動(dòng)傳遞途徑，其動(dòng)力學(xué)分析的目的已不完全是為了校核強(qiáng)度，而是擴(kuò)展到了低振動(dòng)低噪聲設(shè)計(jì)。軸系振動(dòng)及軸系與船體耦合振動(dòng)的快速計(jì)算、軸系數(shù)值模型修正、刀具切削引起的移動(dòng)載荷對(duì)軸加工過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性的影響、軸系結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)動(dòng)柔度測(cè)試方法，這些都是軸系低振動(dòng)設(shè)計(jì)加工過(guò)程中急需解決的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本文主要工作與創(chuàng)新如下：
　　基于改進(jìn)傅立葉級(jí)數(shù)方法，考慮回旋效應(yīng)，本文提出

2、了一套基于Rayleigh梁理論的軸系動(dòng)力學(xué)建模方法。單跨軸段兩個(gè)垂直方向上的彎曲位移分別通過(guò)改進(jìn)傅立葉級(jí)數(shù)進(jìn)行描述，不同跨之間相鄰軸段通過(guò)引入連接彈簧組合。推導(dǎo)了旋轉(zhuǎn)軸系中包括支撐剛度、集中質(zhì)量在內(nèi)相關(guān)部件的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣以及回旋效應(yīng)矩陣。形成了可計(jì)算由多支撐、多集中質(zhì)量以及任意多段不同截面軸段組合而成的軸系動(dòng)力學(xué)數(shù)值建模系統(tǒng)。通過(guò)與相關(guān)文獻(xiàn)以及有限元計(jì)算的結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的收斂性與精確性。
　　傅立葉級(jí)數(shù)法作為一種半

3、解析方法，有著計(jì)算精確、效率高的優(yōu)點(diǎn)，但該方法更適用于幾何形狀規(guī)則結(jié)構(gòu)，因而該方法在實(shí)際工程復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用受到限制；目前有限元方法在處理大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)問(wèn)題時(shí)，單元過(guò)多導(dǎo)致計(jì)算效率不高；針對(duì)工程中需要對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行高效高精度計(jì)算的難題，本文引入虛擬彈簧，基于能量原理，給出了一種傅立葉級(jí)數(shù)法與有限元法相結(jié)合的計(jì)算方法。該方法利用了傅立葉級(jí)數(shù)法收斂性高及有限元法可計(jì)算復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，算例結(jié)果表明，該方法效率較高，可用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)計(jì)算。

4、r>　　在軸切削過(guò)程中，車刀作用力被視為移動(dòng)載荷，在傳統(tǒng)模型中，軸多簡(jiǎn)化為固支或簡(jiǎn)支邊界的梁，這種邊界條件與工程實(shí)際的彈性邊界存在差距，導(dǎo)致切削過(guò)程工件動(dòng)力學(xué)分析誤差較大。針對(duì)該問(wèn)題，本文在模型中引入彈性邊界條件，建立了考慮彈性支撐旋轉(zhuǎn)軸的改進(jìn)傅立葉級(jí)數(shù)數(shù)值模型。通過(guò)實(shí)際測(cè)得的模態(tài)參數(shù)，以實(shí)測(cè)與仿真的模態(tài)參數(shù)之間的差異最小為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，采用基于二范數(shù)的優(yōu)化算法修正了軸的改進(jìn)傅立葉級(jí)數(shù)模型。利用修正后的軸數(shù)值模型，分析了加工過(guò)程中旋轉(zhuǎn)軸

5、在移動(dòng)載荷作用下的動(dòng)力學(xué)特性，得到了彈性邊界條件下移動(dòng)載荷引起的彎矩、旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、靜變形對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸的影響規(guī)律。
　　針對(duì)當(dāng)前還難以在結(jié)構(gòu)某一點(diǎn)上加載可測(cè)量的純扭矩以及較為精確的測(cè)試結(jié)構(gòu)上某點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角加速度的現(xiàn)狀，提出了一種數(shù)值-試驗(yàn)結(jié)合的間接旋轉(zhuǎn)動(dòng)柔度的測(cè)試新方法。通過(guò)在軸系一端附加一可精確數(shù)值建模的附加結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了實(shí)際可測(cè)量的組合結(jié)構(gòu)上的線性柔度與未包含附加結(jié)構(gòu)的原始軸系在該端點(diǎn)處的扭轉(zhuǎn)動(dòng)柔度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。建立了軸系結(jié)構(gòu)、附加結(jié)

6、構(gòu)以及組合結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，對(duì)所提出的間接扭轉(zhuǎn)動(dòng)柔度測(cè)試方法進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)將一定比例的隨機(jī)誤差引入數(shù)值模型，采用Monte-Carlo方法，分析了隨機(jī)誤差對(duì)于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)動(dòng)柔度的影響規(guī)律。數(shù)值仿真結(jié)果表明：在不包含隨機(jī)誤差情況下，利用本文所提出的間接方法得到的扭轉(zhuǎn)動(dòng)柔度與通過(guò)原始軸系模型計(jì)算得到的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)動(dòng)柔度完全一致；引入隨機(jī)誤差后，利用間接方法預(yù)估的扭轉(zhuǎn)動(dòng)柔度中出現(xiàn)了不應(yīng)出現(xiàn)的彎曲頻率峰值，分析其產(chǎn)生原因?yàn)橐胝`差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本身的對(duì)稱性遭

7、到破壞，并給出了識(shí)別該類型異常頻率峰值的方法。
　　最后，設(shè)計(jì)了含雙圓盤、雙滾珠軸承的軸系、T型附加結(jié)構(gòu)以及二者連接法蘭在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架。通過(guò)錘擊法測(cè)試了軸系一端安裝附加結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的原點(diǎn)與跨點(diǎn)柔度，結(jié)合附加結(jié)構(gòu)的有限元模型，利用本文所提出的數(shù)值-試驗(yàn)結(jié)合扭轉(zhuǎn)動(dòng)柔度測(cè)試方法預(yù)估了無(wú)附加結(jié)構(gòu)原始軸系在端點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)動(dòng)柔度。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提的數(shù)值-試驗(yàn)相結(jié)合的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)動(dòng)柔度間接測(cè)試方法的有效，可用于實(shí)際結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)動(dòng)柔度測(cè)試。本文所提