轴向力作用下转轴中弹性波传播特性研究

摘要

本文依托于国家自然科学基金项目“基于弹性波传播特性的大型旋转机械主轴裂纹检测方法研究”批准号(51505430)，采用传递矩阵方法，分析了轴向力、轴端面面积比以及转速对转轴中弹性波传播特性的影响。转轴中弹性波的传播特性受到轴受力情况、本身几何尺寸、形状等因素的影响，同时转速也可能对弹性波在转轴中的传播特性产生影响。针对数值分析的结果，进行了有限元仿真分析，设计并搭建了实验系统，利用实验、有限元仿真分析对理论分析进行验证。研究结果有助于解决变截面转轴等机械构件在承受轴向载荷时弹性波的传播机理问题，可为利用弹性波传播特性识别构件上的载荷状况以及对转轴的动力学特性分析提供参考。
　　论文的主要研究工作以及章节安排如下:
　　第一章阐述了有关弹性波传播的研究背景与意义。对转轴等介质中弹性波传播相关的国内外研究现状、研究方法和应用前景进行了综述，对目前研究仍未解决的转轴中弹性波传播特性等一些问题进行了归纳，进而提出了本文的研究目标和研究内容。
　　第二章首先对弹性波的概念、弹性波在转轴中的传播特性及传递矩阵进行了介绍，推导出了轴向力对弹性波传递矩阵的影响关系式，然后以不存在轴向力作用时的传递矩阵为基础，利用叠加原理，推导得出了轴向力作用下变截面转轴的传递矩阵。
　　第三章首先利用了数值分析方法，对弹性波传递矩阵的特征值进行了求解分析，研究了轴向力、转轴端面面积比以及转速对弹性波传播特性的影响。针对数值分析的结果，进行了有限元仿真分析，仿真结果与理论分析结果一致，证明了理论分析的正确性，即:当变截面转轴承受轴向力作用时，弹性波在转轴中传播时将会出现一个新阻带，随着轴向力的增大，该阻带中心频率降低;当变截面转轴承受恒定轴向力作用时，随着转轴端面面积比增大，该阻带中心频率变高。
　　为了对理论和仿真分析结果进行进一步验证，第四章搭建了实验系统并进行了相关实验。对搭建的整个实验系统以及实验方案进行了介绍，对轴向力和端面面积比的实验数据进行了分析说明，实验结果与理论分析及有限元仿真结果接近。
　　第五章，总结全文，并对全文研究工作进行展望。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 弹性波传播特性的研究现状

1．3 转轴中弹性波传播特性研究现状

1．4 本文的研究工作

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

2．1 引言

2．2 弹性波概述

2．2．1 弹性波介绍

2．2．2 弹性波传播特性的定义

2．3 转轴中弹性波的运动方程与传递矩阵

2．3．1 轴向力作用下等截面轴的传递矩阵推导

2．3．2 轴向力作用下变截面转轴传递矩阵的推导

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2 弹性传播特性的数值分析

3．2．1 数值分析参数设定

3．2．2 轴向力影响分析

3．2．3 端面面积比影响分析

3．2．4 转速影响分析

3．3 弹性波传播特性的有限元仿真

3．3．1 有限元仿真参数及边界条件设定

3．3．2 轴向力的仿真分析

3．3．3 端面面积比的仿真分析

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 转轴弹性波信号测试实验系统设计

4．2．1 实验系统总体介绍

4．2．2 实验系统本体部分设计

4．2．3 弹性波激振装置设计

4．2．4 轴力施加装置设计

4．2．5 测量系统设计

4．3 实验方案设计

4．3．1 实验测点和激励点的布置

4．3．2 实验过程及数据采集

4．4 实验数据结果分析

4．4．1 轴向力对转轴中弹性波传播特性影响的实验分析

4．4．2 端面面积比对转轴中弹性波传播特性影响的实验分析

4．5 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间科研成果及参与项目情况