碳纤维复合材料传动轴的动力学特性研究

发布时间：2017-10-18 08:31

  本文关键词：碳纤维复合材料传动轴的动力学特性研究

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【摘要】：随着传动轴性能要求的不断提高,高转速、大长径比和结构复杂的传动轴被广泛使用。因此,机械系统在运行过程中容易产生共振。共振会使机械零部件产生松动或发生疲劳破坏,产生噪声,影响机械的加工精度。使用碳纤维复合材料生产的传动轴,在大幅减轻结构自重的同时,可以提高固有频率,减少噪声,降低传动系统能量损失,提高抗振性能。 本文考虑到碳纤维复合材料力学特性的各项异性,沿着纤维方向,复合材料的抗拉和抗压性能较好,因此碳纤维复合材料的性能参数具有可设计性。在传动轴的设计中,可以利用碳纤维复合材料这种可变的性能参数来满足不同的动力学性能要求。针对碳纤维复合材料与金属混合制成的轴,可以通过改变轴中碳纤维部分的铺层方式来使碳纤维传动轴的动力学特性满足需求。 本文主要针对碳纤维复合材料传动轴动力学特性中的固有频率和模态振型两方面内容进行研究。首先,根据某电机传动轴的技术要求设计出碳纤维复合材料传动轴试件。其次,根据推导出的轴类零件的动力学方程,运用matlab软件编程计算得到了碳纤维复合材料传动轴试件的前三阶固有频率和模态振型。再次,选取SAMCEF软件针对该碳纤维复合材料传动轴试件建立有限元模型并进行有限元模态分析。其后,对试件进行激振实验,测量出其前三阶固有频率并与理论计算和有限元模态分析得出的数值进行对比,分析差异。最终证明了有限元分析模型和分析过程的有效性,获得了适合于碳纤维复合材料传动轴动力学性能设计的有限元模型。最后,采用该有限元模型,探讨了不同铺层顺序,铺层角度,铺层厚度对碳纤维复合材料传动轴固有频率及模态振型的影响。最终得出,碳纤维复合材料传动轴的固有频率主要受铺层角度影响,固有频率大体上随铺层角度的增大而减小,正负交替铺层有利于提高其固有频率。变厚度铺层也会提高碳纤维复合材料传动轴的固有频率。在铺层角度变化和变厚度铺层同时作用时,会产生相互影响。而铺层顺序和铺层单层厚度对一阶固有频率几乎不产生影响。对于模态振型,无论哪种铺层方式都不会对其产生影响,铺层方式的不同只会改变模态振型出现的顺序。
【关键词】：碳纤维复合材料 传动轴 动力学 铺层方式 有限元分析
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.2;TB332
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 引言9-11
• 1.2 复合材料传动轴动力学性能的国内外研究现状11-15
• 1.3 研究目的、意义和内容15-17
• 1.4 拟解决的关键问题17-18
• 第2章 碳纤维传动轴试验件设计及动力学理论计算18-32
• 2.1 试验件设计18-21
• 2.1.1 性能指标18
• 2.1.2 金属端部设计18-19
• 2.1.3 碳纤维薄壁圆管的设计19-20
• 2.1.4 胶接接头尺寸计算20-21
• 2.2 试验件固有频率和模态振型的理论计算21-31
• 2.2.1 固有频率和模态的定义21-22
• 2.2.2 理论计算的基本原理和方法22
• 2.2.3 传动轴的动力学方程式22-26
• 2.2.4 模型建立26-27
• 2.2.5 matlab仿真及结果27-31
• 2.3 本章小结31-32
• 第3章 碳纤维复合材料传动轴动力学有限元分析32-41
• 3.1 碳纤维复合材料传动轴的有限元分析法32-34
• 3.1.1 有限元分析32
• 3.1.2 SAMCEF软件简介32-33
• 3.1.3 有限元分析步骤33-34
• 3.2 碳纤维复合材料传动轴的动力学分析模型34-40
• 3.3 本章小结40-41
• 第4章 碳纤维复合材料传动轴的试验模态分析41-57
• 4.1 实验模态分析概述41-43
• 4.2 碳纤维复合材料传动轴实验模态分析的基本原理43
• 4.3 实验平台的搭建43-49
• 4.3.1 激励方式43-44
• 4.3.2 实验模态系统组成44-49
• 4.4 模态试验具体过程49-55
• 4.5 理论计算、有限元分析及试验结果对比分析55-56
• 4.6 本章小结56-57
• 第5章 铺层方式对碳纤维传动轴动力学特性的影响57-66
• 5.1 单一铺层因素变化58-63
• 5.2 多铺层因素共同作用63-65
• 5.3 本章小结65-66
• 第6章 总结与展望66-68
• 6.1 研究总结66
• 6.2 研究展望66-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-72

【参考文献】

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本文编号：1053990