旋转碳纤维复合材料轴转子动力学特性的有限元分析与试验研究.pdf

Jul.2023JOURNAL OF MACHINE DESIGN2023年7 月No.7Vol.40第40 卷第7 期机计设械旋转碳纤维复合材料轴转子动力学特性的有限元分析与试验研究*谷晓妹，朱帅，任勇生1（1.山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590;2.浙江大学山东工程技术研究院，山东枣庄277000)摘要：轻质、高速旋转复合材料传动轴是航空和汽车领域先进传动系统设计中的关键部件。文中基于锤击激振测试方法和ANSYS有限元软件，对旋转复合材料轴进行转子动力学系统试验测试和有限元建模与分析，研究旋转碳/树脂复合材料轴的转子动力学特性。结果表明：铺层方式对旋转复合材料轴的转子动力学特性有重要的影响，纤维铺设角越小，临界转速和涡动频率越高；随着纤维铺设角的增大，临界转速和涡动频率降低。有限元仿真结果与转子动力学试验结果较为吻合，理论模型基本可靠。关键词：碳纤维复合材料；旋转轴；涡动频率；临界转速；转子动力学中图分类号：TH133.2文献标识码：A文章编号：1 0 0 1-2 3 5 4(2 0 2 3)0 7-0 0 2 0-0 5Finite-element analysis and experimental research on rotating CFRPshaft s rotor dynamic characteristicsGU Xiaomei,ZHU Shuai?,REN Yongsheng(1.College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590;2.Shandong Industrial Technology Research Institute of Zhejiang University,Zaozhuang 277000)Abstract:The light-weight and high-speed rotating composite transmission shaft is a crucial part of the advanced transmis-sion system in the aviation and automotive industry.In this article,based on the hammer-excitation test and the ANSYS finite-ele-ment software,the rotating composite shafts rotor dynamic characteristics are subject to the test as well as the finite-elementmodeling and analysis,and efforts are made to explore the rotor dynamic characteristics of the rotating carbon/resin compositeshaft.The results show that the laying method has an important impact on the rotating composite shafts rotor dynamic character-istics.The smaller the fiber laying angle is,the greater the critical rotating speed and the whirl frequency will be.With the ever-growing fiber laying angle,both the critical rotating speed and the whirl frequency will decrease.The results obtained from finite-element simulation are in good agreement with those obtained from the experiment on the rotor dynamics,and the theoretical mod-el is fairly reliable.Key words:CFRP;rotating shaft;whirl frequency;critical rotating speed;rotor dynamics与金属传动轴相比，由于复合材料传动轴可以减小自身质量、提高传动效率和乘坐舒适性，特别是利用复合材料特有的性能可剪裁性，可以满足传动轴不同的设计要求1-4因此，复合材料传动轴在直升*收稿日期：2 0 2 1-0 6-2 5；修订日期：2 0 2 3-0 1-2 0基金项目：国家自然科学基金（1 1 2 7 2 1 9 0）机5-8 和汽车9-1 2 等行业中具有广阔的应用前景。复合材料传动轴作为传动部件，其主要功能是传递扭矩，因此，其扭转刚度和稳定性必须满足设计要求。文献1 3 用多种壳理论研究了复合材料轴在变212023年7 月谷晓妹，等：旋转碳纤维复合材料轴转子动力学特性的有限元分析与试验研究化扭矩作用下的动态稳定性。文献1 4 用ANSYS有限元软件分析了复合材料汽车后轮驱动轴在不同铺层顺序及不同铺层角下传递扭矩的能力。文献1 5 研究具有不同纤维定向及叠层方式的复合材料传动轴的扭转稳定性。文献9 研究包含铝管和碳纤维复合材料薄层混杂轴的静/动态扭转特性。文献1 6 针对混杂铝/复合材料传动轴的极限扭转强度进行试验研究。在实际工程应用中，振动会对传动轴工作性能和乘坐舒适性产生负面影响。文献1 7 研究了在非惯性系下复合材料传动轴的弯曲振动问题。文献1 8 基于有限元分析和振动试验方法研究了碳纤维复合材料传动轴的自由振动特性。文献1 9 基于有限元法研究了铺层角和铺层方式对混杂碳/玻璃纤维增强复合材料传动轴固有频率的影响。文献1 0 通过有限元分析，研究了铺层角度对固有频率及静态扭转性能的影响。文献2 0 采用振动测试和有限元法研究了轴管内径对碳纤维复合材料传动轴固有频率和阻尼的影响。目前，已有文献对复合材料传动轴振动性能的研究主要局限于传动轴静止或者不旋转的情形，而关于旋转复合材料传动轴振动性能的研究鲜有文献报道。为了探索旋转复合材料传动轴转子的振动性能，文中采用有限元计算和转子振动测试的方法，研究铺层方式对旋转复合材料传动轴的涡动频率及临界转速的影响，从而为旋转复合材料传动轴转子的动力学设计提供理论依据。复合材料轴的制备与转子动力学试验文中设计和加工的复合材料旋转轴试件长为1000mm，结构形式及尺寸如图1 所示，其中，空心管材料为纤维增强复合材料，金属轴头材料为45 钢。复合材料轴采用复合材料缠绕成形工艺制备而成，增强纤维为T700SC12K碳纤维,基体材料为环氧树脂。碳纤维复合材料圆管总共铺2 8 层，每层厚度为0.1 8 mm，设计的3 种铺层方式依次为：（1）铺层方式1:9 0/0 1 0/9 0/0 1/9 0/0，；（2）铺层方式2：9 0 2 5/0，；（3）铺层方式3：【9 0 45 2 6/0 1000铺层厚度约5 mm图1复合材料传动轴结构尺寸为了着重研究纤维铺层角对复合材料轴转子动力学特性的影响,文中在上述3 种铺层方式中，分别加人2 5 个0 角铺层、2 6 个45 角铺层和2 5 个9 0 角铺层。转子动力学平台及其试验测试系统分别如图2及图3 所示。试验过程中，旋转复合材料轴从静止开始逐步提高转速至40 0 0 r/min，转速每次提高200r/min，在每次提高转速且转子运行稳定后，用安装有力传感器的力锤敲击转子中央箍有金属环（后加工安装到转子上，以能够产生足够的涡流信号)部分，力锤敲击方向与位移传感器的测量方向一致位移传感器接收响应信号，经过电荷放大器放大后输入信号采集系统。所用试验仪器的框图如图4所示。图2转子动力学平台图3转子动力学试验系统电涡流位电荷放大器移传感器力锤数据采集和分析系统图4锤击激振试验仪器框图电涡流位移传感器用于接收响应信号并转换为电荷信号，电荷放大器用于将电荷信号放大成为合适测量的电压信号。信号采集分析系统包括抗混滤波器、A/D变换器、模态分析软件和计算机。22机计设械第40 卷第7 期2复合材料轴的有限元分析采用有限元分析软件ANSYS15.0建立复合材料轴的计算模型。文中选择在三维软件UG中进行实体建模，然后将CAD模型导入，完成结构实体建模。复合材料空心轴和金属轴头分别选用Shell181壳体单元和Solid186实体单元。轴头实体部分选择四面体单元，Shell181壳体选择三边形单元。离散后的复合材料空心轴的单元数为5 8 1 2，金属轴头部分的单元数为36535。划分网格后的模型如图5 所示，两端轴承约束采用圆柱面约束类型图5复合材料旋转轴的网格划分对复合材料轴进行有限元分析，所需要的材料性能参数如表1 和表2 所示。E,E，和E，表示材料沿弹性主轴方向上的弹性模量;G12，G 2 3 和G13表示在3个不同主平面内的剪切模量；V12，V2 3 和V13表示泊松比。表1金属材料性能参数密度p/(kg/m)弹性模量E/CPa泊松比78902090.269表2碳纤维复合材料性能参数密度p/(kg/m)弹性模量/GPa剪切模量/CPa泊松比181(E,)7.17(G/2)0.28(V12)161010.3(E2)3.78(G23)0.3(V23)10.3(E,)7.17(G/3)0.28(V13)图6 所示为基于ANSYS的旋转复合材料轴的前3阶涡动频率随转速变化的曲线，其中，红、深蓝、浅绿分别表示第1,2,3 阶涡动频率。根据对角线（用浅蓝色直线表示)与涡动频率的交点的横坐标能够确定临界转速。图7 所示为基于转子动力学试验的旋转复合材料轴的前3 阶涡动频率随转速变化的曲线12501000750ZH/率源5002500080016002.40032004000转速/(rad/s)(a)铺层方式112501000750ZH/率源5002500080016002.40032004000转速/(rad/s)(b)铺层方式212501000750ZH/率源500250080016002.40032004.000转速/(rad/s)(c)铺层方式3图6前3 阶涡动频率曲线（ANSYS有限元计算结果）12501000ZH/李750第1 阶涡动频率聚2 盼渴动锁率第阶涡动频率500250008001600240032004000转速/(r/min)(a)铺层方式1232023年7 月谷晓妹，等：旋转碳纤维复合材料轴转子寺性的有限元分析与试验研究一1250第！阶涡动频率1000第3 阶涡动频率ZH/率源7505002500080016002.40032004000转速/(r/min)(b)铺层方式2125012501250黛！阶渴动频率紫渴动频率2H/率000第3 阶涡动频率7505002500080016002.40032004.000转速/(r/min)(c)铺层方式3图7前3 阶涡动频率曲线（转子动力学试验结果）通过对比图6 和图7，可以看到，除了第3 阶涡动频率的理论值与试验值的偏差较大外，前2 阶涡动频率的理论值与试验结果具有一致性，验证了有限元模型的正确性和有限元分析的有效性根据铺层方式1 和铺层方式2 的结果发现，在铺层设计中，包含纤维铺设角0 的单层越多，临界转速和涡动频率越高；包含纤维铺设角9 0 的单层越多，临界转速和涡动频率越低。这是因为纤维纵向弹性模量E，相对于横向弹性模量E，要大得多（表2），所以，铺层角越小，轴的弯曲刚度越大，涡动频率也越高。由图6 和图7 还可见，受到文中转子试验平台最高旋转速度限制，在给定的转速范围内，旋转复合材料轴的涡动频率曲线未出现分又现象表3 给出了在3 种铺层方式下，旋转复合材料轴前3 阶临界转速的ANSYS软件计算结果与试验结果。由表3 可知，对于铺层方式1，前3 阶临界转速的有限元分析与试验测试结果之间的偏差分别为5.1%，11.3%和3.5%；对于铺层方式2，这个偏差分别为0.2%，4.6%和1 2.9%；对于铺层方式3，这个偏差分别为2 3.2%,4.5%和2 3.8%。表3碳纤维复合材料轴前3 阶临界转速固有频率/Hz有限元计算结果/Hz试验结果/Hz1阶固有频率289.2304.7铺层方式12阶固有频率788.8890.43阶固有频率1086.211251阶固有频率187.1187.5铺层方式22阶固有频率762.7727.23阶固有频率969.5844.61阶固有频率299.9230.4铺层方式32阶固有频率810.8848.63阶固有频率1 144.11501.7对比上述3 种铺层方式下的旋转复合材料轴的临界转速和涡动频率的理论值与试验值之间的偏差，可以发现，铺层方式3 的偏差相对较大。原因可能是这种方式中涉及45 的铺层，在试件缠绕成形的过程中存在一定的误差。此外，复合材料参数误差及传动轴的有限元建模未考虑复合材料轴与轴头连接部分胶层的影响，也可能对精度产生一定的影响。3结论（1)铺层方式的变化对旋转复合材料轴的涡动频率和临界速度有很大的影响。(2)文中的有限元仿真结果与实测涡动频率、临界转速较吻合，因此，有限元分析模型可用于复合材料轴的转子动力学设计。(3)纤维铺设角越小，临界转速和涡动频率越高；随着纤维铺设角的增大，临界转速和涡动频率降低参考文献1Ruegg C H,Habermeier J.Composite propeller shafts designand optimization C/Advance in Composite Materials:Pro-ceeding of the third International Conference on 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