軸系若干動力學問題研究.pdf

1、隨著國際海事組織對船舶振動噪聲要求日益嚴格，軸系作為船舶重要的振動源和振動傳遞途徑，其動力學分析的目的已不完全是為了校核強度，而是擴展到了低振動低噪聲設計。軸系振動及軸系與船體耦合振動的快速計算、軸系數(shù)值模型修正、刀具切削引起的移動載荷對軸加工過程動力學特性的影響、軸系結構的扭轉動柔度測試方法，這些都是軸系低振動設計加工過程中急需解決的問題。針對上述問題，本文主要工作與創(chuàng)新如下：
　　基于改進傅立葉級數(shù)方法，考慮回旋效應，本文提出

2、了一套基于Rayleigh梁理論的軸系動力學建模方法。單跨軸段兩個垂直方向上的彎曲位移分別通過改進傅立葉級數(shù)進行描述，不同跨之間相鄰軸段通過引入連接彈簧組合。推導了旋轉軸系中包括支撐剛度、集中質量在內相關部件的剛度矩陣、質量矩陣以及回旋效應矩陣。形成了可計算由多支撐、多集中質量以及任意多段不同截面軸段組合而成的軸系動力學數(shù)值建模系統(tǒng)。通過與相關文獻以及有限元計算的結果對比，驗證了該方法的收斂性與精確性。
　　傅立葉級數(shù)法作為一種半

3、解析方法，有著計算精確、效率高的優(yōu)點，但該方法更適用于幾何形狀規(guī)則結構，因而該方法在實際工程復雜結構的應用受到限制；目前有限元方法在處理大型復雜結構問題時，單元過多導致計算效率不高；針對工程中需要對大型復雜結構進行高效高精度計算的難題，本文引入虛擬彈簧，基于能量原理，給出了一種傅立葉級數(shù)法與有限元法相結合的計算方法。該方法利用了傅立葉級數(shù)法收斂性高及有限元法可計算復雜形狀結構的特點，算例結果表明，該方法效率較高，可用于復雜結構計算。

4、r>　　在軸切削過程中，車刀作用力被視為移動載荷，在傳統(tǒng)模型中，軸多簡化為固支或簡支邊界的梁，這種邊界條件與工程實際的彈性邊界存在差距，導致切削過程工件動力學分析誤差較大。針對該問題，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軸的改進傅立葉級數(shù)數(shù)值模型。通過實際測得的模態(tài)參數(shù)，以實測與仿真的模態(tài)參數(shù)之間的差異最小為優(yōu)化目標函數(shù)，采用基于二范數(shù)的優(yōu)化算法修正了軸的改進傅立葉級數(shù)模型。利用修正后的軸數(shù)值模型，分析了加工過程中旋轉軸

5、在移動載荷作用下的動力學特性，得到了彈性邊界條件下移動載荷引起的彎矩、旋轉效應、靜變形對于旋轉軸的影響規(guī)律。
　　針對當前還難以在結構某一點上加載可測量的純扭矩以及較為精確的測試結構上某點的旋轉角加速度的現(xiàn)狀，提出了一種數(shù)值-試驗結合的間接旋轉動柔度的測試新方法。通過在軸系一端附加一可精確數(shù)值建模的附加結構，推導了實際可測量的組合結構上的線性柔度與未包含附加結構的原始軸系在該端點處的扭轉動柔度之間的對應關系。建立了軸系結構、附加結

6、構以及組合結構的數(shù)值模型，對所提出的間接扭轉動柔度測試方法進行了驗證。通過將一定比例的隨機誤差引入數(shù)值模型，采用Monte-Carlo方法，分析了隨機誤差對于扭轉振動動柔度的影響規(guī)律。數(shù)值仿真結果表明：在不包含隨機誤差情況下，利用本文所提出的間接方法得到的扭轉動柔度與通過原始軸系模型計算得到的扭轉振動動柔度完全一致；引入隨機誤差后，利用間接方法預估的扭轉動柔度中出現(xiàn)了不應出現(xiàn)的彎曲頻率峰值，分析其產(chǎn)生原因為引入誤差導致結構本身的對稱性遭

7、到破壞，并給出了識別該類型異常頻率峰值的方法。
　　最后，設計了含雙圓盤、雙滾珠軸承的軸系、T型附加結構以及二者連接法蘭在內的實驗臺架。通過錘擊法測試了軸系一端安裝附加結構時對應點的原點與跨點柔度，結合附加結構的有限元模型，利用本文所提出的數(shù)值-試驗結合扭轉動柔度測試方法預估了無附加結構原始軸系在端點的扭轉振動動柔度。試驗結果表明，本文所提的數(shù)值-試驗相結合的扭轉振動動柔度間接測試方法的有效，可用于實際結構扭轉動柔度測試。本文所提