旋转复合材料薄壁轴的动力学研究

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复合材料由于轻质、高强度、高刚度、抗疲劳性能好并且还可以通过改变纤维铺层角和叠层方式调节结构特性,在许多工程领域中得到了广泛的应用。随着先进复合材料的发展,采用复合材料制成的传动轴目前正在逐步代替传统的金属轴,得到越来越广泛的应用。因此,研究其动力学和稳定性问题对其结构动力学设计具有十分重要的意义。  首先,从基于变分渐进法(VAM)的复合材料薄壁梁理论出发,在引入横向剪切变形的情况下,采用Hamilton原理推导出旋转坐标系下轴的自由振动控制方程,采用Galerkin法进行模型离散化并编制了近似数值计算程序。揭示了铺层角、旋转速度、长径比、径厚比以及横向剪切对复合材料传动轴振动固有频率和临界转速的影响。  其次,基于Von Kármán的大变形理论,考虑复合材料传动轴粘性外阻尼的影响,建立复合材料传动轴的在偏心激励作用下的非线性动力学控制方程。  第三,在建立的动力学模型中忽略轴向变形和扭转变形,得到描述横向振动的非线性偏微分方程。引入复数变量并采用多尺度法得到揭示非线性特性的幅频响应方程以及解的稳定性条件,研究了纤维铺层角、旋转速度和结构参数对其非线性振动特性的影响。  最后,基于广义坐标表示的耦合非线性振动方程组,利用四阶龙格-库塔法对横向动力学方程组和拉-弯-扭弹性变形耦合的动力学方程组进行数值模拟,分析了不同参数对其动力学行为的影响。
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