[發(fā)明專利]一種變剛度復(fù)合材料傳動(dòng)軸動(dòng)力學(xué)模型分析方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111446150.1
• 申請(qǐng)日: 2021-11-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114218695A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高峰;仲惟燕;高子興;董亞沖;李鳴毅;傅建峰;秦磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;G06F30/20;G06F17/12;G06F17/16;G06F119/14
• 代理公司: 青島智地領(lǐng)創(chuàng)專利代理有限公司 37252
• 代理人: 劉文霞

本發(fā)明公開(kāi)了一種變剛度復(fù)合材料傳動(dòng)軸動(dòng)力學(xué)模型分析方法，其綜合考慮了扭轉(zhuǎn)、拉伸、橫向剪切、旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的離心效應(yīng)和陀螺效應(yīng)、纖維鋪層角度和鋪層方式等因素對(duì)傳動(dòng)軸動(dòng)力學(xué)特性的影響，并根據(jù)Timoshenko梁理論、Hamilton原理及Galerkin近似求解方法，得到變剛度復(fù)合材料傳動(dòng)軸的動(dòng)力學(xué)模型，所建立的動(dòng)力學(xué)模型可以對(duì)變剛度復(fù)合材料轉(zhuǎn)動(dòng)軸的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和分析，對(duì)實(shí)際工程中變剛度復(fù)合材料傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，并且可以為傳動(dòng)軸的振動(dòng)控制提供進(jìn)一步的指導(dǎo)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)械動(dòng)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種變剛度復(fù)合材料傳動(dòng)軸動(dòng)力學(xué)模型分析方法。

背景技術(shù)

傳動(dòng)軸是旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中普遍使用的重要零件之一。與傳統(tǒng)的金屬傳動(dòng)軸相比，復(fù)合材料傳動(dòng)軸由于具有重量輕、強(qiáng)度高、剛度大、耐腐蝕、抗疲勞和可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在工程機(jī)械、風(fēng)力發(fā)電、汽車、飛機(jī)和船舶推進(jìn)裝置等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。復(fù)合材料傳動(dòng)軸一般由直線纖維鋪放而成，各單層的纖維鋪放角度不可改變，傳動(dòng)軸軸向橫截面的剛度不可改變。但隨著先進(jìn)鋪放設(shè)備的大力發(fā)展和纖維鋪放技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得纖維鋪放角度可以發(fā)生連續(xù)變化，從而達(dá)到傳動(dòng)軸改變結(jié)構(gòu)剛度的目的；且采用纖維曲線鋪放技術(shù)可同時(shí)對(duì)剛度和強(qiáng)度進(jìn)行剪裁優(yōu)化設(shè)計(jì)，在各單層內(nèi)自由設(shè)計(jì)纖維的取向，能夠有效提高復(fù)合材料傳動(dòng)軸的屈曲載荷和破壞強(qiáng)度。但目前研究中對(duì)變剛度復(fù)合材料傳動(dòng)軸的研究和認(rèn)識(shí)不夠深入，不能有效地分析復(fù)合材料的纖維鋪放路徑、鋪層方式等對(duì)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)剛度的影響，進(jìn)而在實(shí)際工程應(yīng)用中難以根據(jù)實(shí)際需求對(duì)變剛度復(fù)合材料傳動(dòng)軸進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種變剛度復(fù)合材料傳動(dòng)軸動(dòng)力學(xué)模型分析方法，其綜合考慮了綜合考慮扭轉(zhuǎn)、拉伸、橫向剪切的影響，并將旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的離心效應(yīng)和陀螺效應(yīng)考慮進(jìn)去，建立起變剛度復(fù)合材料傳動(dòng)軸的動(dòng)力學(xué)模型，并用此模型對(duì)其開(kāi)展動(dòng)力學(xué)特性的分析。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案：

一種變剛度復(fù)合材料傳動(dòng)軸動(dòng)力學(xué)建模與分析方法，包括以下步驟：

(1)建立三維坐標(biāo)系

繪制變剛度復(fù)合材料傳動(dòng)軸模型，并用r和h表示軸的中面曲率半徑和壁厚，在該模型上建立如下三維坐標(biāo)系：慣性坐標(biāo)系(X，Y，Z)、柱坐標(biāo)系(x，r，α)及局部坐標(biāo)系(x，e_r，e_α)；

其中，e_α和e_r分別指向軸中面切線逆時(shí)針?lè)较蚝头ň€方向，且傳動(dòng)軸繞x軸以定常角速度Ω旋轉(zhuǎn)；

(2)定義纖維曲線鋪放路徑

定義纖維方向角θ沿坐標(biāo)x方向線性變化，纖維鋪放路徑可表示為：

θ(x)＝T₀+(T₁-T₀)(x/L) (1)

其中，θ(x)表示纖維方向角，T₀為纖維的起始角，T₁為纖維的終止角，L為傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度；(3)確定變剛度復(fù)合材料傳動(dòng)軸任意層的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

建立變剛度復(fù)合材料傳動(dòng)軸任意層坐標(biāo)系，η(x)表示復(fù)合材料層合板任意層的纖維鋪層方向與柱坐標(biāo)系(x，r，α)中x軸的夾角，η(x)隨x軸坐標(biāo)的變化而變化，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可表示為：

可簡(jiǎn)寫(xiě)為：

其中，為縮減的偏軸剛度矩陣，可由剛度矩陣[Q]經(jīng)變換矩陣[T]轉(zhuǎn)換得到，即：

其中，[Q]和[T]的表達(dá)式為：