基于LS-DYNA直齿轮动态啮合特性分析

基于接触有限元分析理论和显式计算方法,利用LS-DYNA软件,可以高保真地模拟齿轮动态啮合过程。通过建立某实验研究中齿轮的精确啮合有限元分析模型,利用上述方法,模拟实验齿轮的动态啮合过程,根据数值计算结果分析齿轮动态啮合过程的振动特性。研究表明:齿轮动态啮合过程的数值模拟结果与实验结果具有很好的一致性;薄壁齿轮易产生结构振动,且其轮缘振动明显;降低轮缘及腹板的厚度,会使得轮缘及腹板承担齿轮啮合载荷的比重增大;当腹板位置不在齿宽中心时,会导致直齿轮动态啮合过程产生轴向啮合力。此外,研究还得出齿轮的共振条件以及齿轮共振状态的判定方法。      

金属蜗杆与塑料斜齿轮不等齿距啮合方法

为了进一步提高金属蜗杆与塑料斜齿轮传动中塑料齿轮的承载能力,研究了传统等齿距蜗杆与斜齿轮啮合传动时受力的特点,提出了蜗杆与斜齿轮不等齿距啮合方法。基于梁弯曲理论和轮齿变形理论,得到了齿面载荷、变形及接触刚度的关系,并以轮齿齿根弯曲变形率相等为前提,推导了不等齿距啮合的设计方法,得到了不等齿距啮合时蜗杆的齿距调整量,通过静态强度实验进行了验证。实验结果表明:不等齿距设计可以使塑料斜齿轮的承载能力提高13.69%。      

变速器齿轮振动机理及修形减振降噪方法

以某款自动变速器为研究对象,对齿轮振动机理和斜齿轮修形减振降噪方法开展深入研究。采用Simulation X仿真和试验方法,确定对系统振动贡献量最大的齿轮对;采用有限元法进行内部激励详细分析,包含传递误差、接触斑点、啮合冲击和轮齿的热变形;在考虑齿轮温度场影响前提下,以传递误差波动小、消除啮合冲击和齿面接触状态良好为优选目标,经大量仿真结果对比,确定修形方案。修形后试验结果表明,齿轮修形方案可行,改善了齿轮传动状态,有效地减小了变速器的振动噪声。     

直升机中减速器谐响应分析与传感器优化布局

研究了多自由度的振动数学模型.通过系统的故障频率来确定振动传感器的安装位置,提出了一种基于故障频率敏感的振动传感器优化布局方法,建立了直升机中减速器机匣有限元模型.利用谐响应分析方法,对中减速器机匣施加一故障激励信号.研究表明:机匣的不同位置对激励信号响应的振动幅值明显不同,齿轮故障时往往在啮合频率及其倍频处形成以转频为间隔的边频带,对该边频响应振幅最大的位置就是振动传感器安装的最佳位置,并提出了振动传感器优化布局函数.此方法同样适用于直升机传动系统其它部件的振动传感器位置选择,也适用于其它旋转机械的振动监测.      

基于逆虚拟激励法的导弹振动谱设计

针对导弹在延寿试验过程中振动谱设计精度低、与实际载荷剖面差距大的问题,提出一种基于逆虚拟激励法的导弹振动谱设计方法。首先,建立了导弹-悬架系统四自由度振动模型,推导出系统激励响应关系;然后,对系统时域响应数据进行Fourier变换,得到响应功率谱矩阵并对其进行分解,构造虚拟简谐响应;最后,基于逆虚拟激励法求得系统激励功率谱,并讨论了响应噪声及系统阻尼对识别精度的影响。实验结果表明:本文方法对于随机振动载荷的识别精度较高、鲁棒性好,零噪声识别误差为2.39%,30%噪声条件下识别误差为3.21%。本文方法同样适用于其他装备的振动试验谱的设计。     

基于正余弦耦合的三轴速率平台控制结构优化

针对三轴速率平台进行三自由度的动态摇摆时出现的平台台体线性漂移问题,提出了一种基于正余弦耦合的三轴速率平台稳定回路控制结构优化方法。当三轴平台进行三自由度摇摆运动时,由于框架间角运动激励的物理耦合和角运动解耦激励的数学耦合,平台台体会产生动态漂移。首先建立三轴平台的角运动输出模型,再根据传递特性将平台基座上的角运动代入到台体伺服控制回路中得到交叉耦合误差项。其次,对比三轴速率陀螺平台和三轴位置陀螺平台在稳定回路控制结构上的异同,分析动态摇摆条件下造成平台台体出现正余弦耦合误差和台体大漂移率误差的形成机理,根据误差源进一步对三轴速率平台的稳定回路控制结构进行了设计优化。最后通过仿真和三自由度转台摇摆试验可见,摇摆过程中不再出现框架角的较大线性漂移,验证了稳定回路结构优化的正确性。     

混合润滑下弧齿锥齿轮啮合路径对传动#br# 及接触特性的影响#br#

为研究弧齿锥齿轮真实润滑状态下不同啮合路径对其传动误差、接触应力及摩擦力的影响，结合混合润滑分析方法，研究弧齿锥齿啮合过程中齿面摩擦系数的演变，并与传统经验公式进行了对比.在此基础上，建立考虑混合润滑摩擦与安装位置参数的弧齿锥齿传动接触模型，研究啮合路径对弧齿锥齿动态传动误差与接触压力的影响，进一步系统分析了不同啮合路径下弧齿锥齿齿面的摩擦力变化及趋势.研究表明：在弧齿锥齿啮入到啮出的过程中，齿面混合润滑摩擦系数呈现先增大后减小的趋势，且传统经验公式对弧齿锥齿轮节锥母线附近的摩擦系数预测误差较大；在一定程度上齿面摩擦会导致接触压力的上升，且中部接触时弧齿锥齿传动误差优于大端接触和小端接触；受轴向分力变化的影响，齿面摩擦力与摩擦系数变化规律差异较大，在啮入到啮出过程中，齿面摩擦力出现两个峰值，在节点附近会呈现减小趋势.     

电动舵机模块化建模及动刚度仿真

颤振是一种危险的气动弹性失稳形式,舵机动刚度对舵系统的颤振特性具有不可忽视的影响,因此舵机的精确建模与仿真分析十分有必要。针对此问题,提出了一种电动舵机模块化建模方法及动刚度计算机模拟方法。以“直流电机-减速齿轮-滚珠丝杠-拨叉副”典型结构的电动伺服舵机为对象,将其分解为具备核心功能的子模块,充分考虑了实际结构中可能出现的主要非线性因素,再根据子模块之间的连接关系来搭建整体的舵机模型。基于该舵机模型,提出了利用步进正弦扫频信号激励、最小二乘法数据处理得到动刚度的计算方法,并以某舵机为算例,开展了舵机主要线性参数及非线性因素对舵机动刚度影响的研究。电动舵机模块化建模方法通用性好,便于不同舵机的拓展。电机转子阻尼、减速器的传动比以及输出轴处的阻尼对舵机的动刚度影响很大,间隙、接触刚度和摩擦这3类非线性因素对舵机的动刚度特性也具有重要的影响。      

大型控制力矩陀螺动力学精细建模与仿真

控制力矩陀螺（CMG,control moment gyro）系统存在多种误差与扰动,影响航天器的姿态控制精度.分析了大型单框架控制力矩陀螺（SGCMG,single gimbal control moment gyro）各主要组成部分的特性、误差及扰动,包括转子动静不平衡、转子轴的安装误差、轴承摩擦、转子电机特性、框架电机特性和谐波减速器特性.通过建立大型SGCMG的动力学精细模型并进行数学仿真,得到了大型SGCMG主要误差与扰动对其输出力矩的影响：在框架伺服系统加装谐波齿轮减速机构可以明显提高SGCMG输出力矩精度,同时也给框架带来高频谐振;转子动不平衡造成的扰动力矩是导致SGCMG在其力矩输出轴和框架轴方向产生输出力矩偏差的主要原因.     

大型控制力矩陀螺动力学精细建模与仿真

控制力矩陀螺(CMG,control moment gyro)系统存在多种误差与扰动,影响航天器的姿态控制精度.分析了大型单框架控制力矩陀螺(SGCMG,single gimbal control moment gyro)各主要组成部分的特性、误差及扰动,包括转子动静不平衡、转子轴的安装误差、轴承摩擦、转子电机特性、框架电机特性和谐波减速器特性.通过建立大型SGCMG的动力学精细模型并进行数学仿真,得到了大型SGCMG主要误差与扰动对其输出力矩的影响:在框架伺服系统加装谐波齿轮减速机构可以明显提高SGCMG输出力矩精度,同时也给框架带来高频谐振;转子动不平衡造成的扰动力矩是导致SGCMG在其力矩输出轴和框架轴方向产生输出力矩偏差的主要原因.     

具有初始热变形的转子系统振动响应分析

航空发动机热起动时的温度分布不均会使转子产生初始热变形,进而引起发动机振动过大,甚至导致起动失败。针对此问题,以航空发动机中的典型转子为对象,根据初始热变形对转子振动的影响建立相应的动力学方程,并通过模态坐标变换分析初始热变形对转子系统振动响应的影响。结果表明,初始热变形相当于对转子作用了附加激励,包括转轴初始弯曲激励、附加不平衡激励和附加陀螺力矩激励,上述激励均与转速同步。其中,附加不平衡激励和附加陀螺力矩激励大小与转速有关,对转子通过各阶临界转速的振动响应均有较大影响;转轴初始弯曲激励大小与转速无关,主要影响低阶临界转速的振动响应。      

复杂转子系统支点动载荷模型及其优化设计

针对高推重比涡扇发动机中带中介轴承复杂转子系统的支点动载荷振动响应及优化设计问题,建立了转子系统支点动载荷力学模型,研究在不同转速下,不平衡量、转子弯曲变形及轮盘惯性载荷等因素对支点动载荷的影响。计算分析了双转子系统支点动载荷随转速变化规律,揭示了高速双转子系统中介支点动载荷与转子弯曲变形及轮盘惯性载荷的关系,并提出了基于转子弯曲变形弹性线斜率控制的双转子系统支点振动响应优化设计方法。结果表明,通过优化高压涡轮后轴颈结构、调整低压涡轮后支点靠近中介支点,可以有效减小中介支点动载荷的大小和不平衡量对其影响的敏感度,为具有中介支点的复杂转子系统支点振动响应优化设计提供了理论方法。      

非规则轴承故障的动力学建模与仿真

针对现有轴承故障研究大多将故障简化为矩形凹槽或圆形凹坑等规则形状,与实际故障形貌存在较大差别的问题,以航空发动机转子系统为研究对象,从滚动轴承的实际故障形貌和复杂转子系统中主轴轴承易失效的客观实际出发,提出了非规则轴承故障的表征方法,并将其引入单转子-轴承系统动力学模型,建立了轴承内外圈非规则故障模型。利用数值计算的方法对含故障轴承转子系统的振动响应进行了分析,并研究了系统轴承在内外圈含有矩形故障和非规则故障的情况下,故障的周向宽度和深度对系统振动的影响规律。针对滚动轴承内外圈中存在的故障轴承损伤,制作了不同位置、大小的故障轴承,并将其引入转子系统开展试验研究,采集了不同旋转频率和故障尺寸下的系统振动数据,通过与数值仿真结果的比较,充分验证了非规则轴承故障动力学模型的正确性。      

涡轮轴断裂条件下空气系统强瞬变过程分析

建立了针对空气系统强瞬变过程的控制方程及模块化仿真模型,该模型包括构成瞬态空气系统网络的4类基本元件:容腔元件、节点元件、管道元件和节流元件。上述基本元件及其组合单元的仿真结果与公开的文献数据能够较好的吻合,证明该模型能够模拟容积效应、惯性力作用占主导的强瞬变空气系统演化。在此基础上,仿真分析了某型航空发动机高压涡轮(HPT)轴断裂失效条件下的空气系统强瞬变过程。结果表明,涡轮轴的断裂失效能够引起空气系统内部复杂响应过程,并能导致涡轮盘所受的轴向力反向。该瞬态空气系统模型成功模拟了气流参数毫秒时间量级的动态响应,为深入研究航空发动机内部复杂空气系统的瞬变机理提供了有效的技术手段。      

基于有限元Craig缩聚模型的基础激励和载荷识别

载荷识别是用有限自由度的加速度测量值推断外力.基础激励是在基础自由度上加给定的加速度时间历程激振结构,求整个结构的动响应.利用Craig减缩模型的性质,及界面自由度的已知运动可求出整个结构其余自由度的动力学响应,完成基础激励求解.在此基础上用已知的界面自由运动和求得的非界面自由度的动力学响应,代入结构动力学方程即可实现载荷识别.本方法唯一能给基础激励和载荷识别结果带来的偏差是Craig缩聚模型与原始有限元模型间的差异,对此用频响分析的方式,直接从频响曲线的变化来确定缩聚模型的精度.算例表明这一新的基础激励和载荷识别途径是有效的.      

大攻角状态压气机分离流及叶片动力响应特性

为研究大攻角状态压气机转子内部分离区的脱落和传播过程及转子叶片对其动力响应问题,对某跨声速压气机级进行了非定常数值模拟和双向迭代流固耦合数值模拟。研究结果表明,在近失速状态,转子叶片通道内会周期性地发生2次叶背分离区的脱落和传播现象。第1个分离区主要表现出轴向传播特性,其会对下游流场产生影响;第2个分离区主要表现出周向传播特性,其会作用于周向相邻的转子叶片,对转子叶排自身产生激励作用,进而影响叶片表面压力分布,引起叶片较强的动力响应,对叶片结构强度的影响不可忽略。非定常/流固耦合计算手段能够较全面地预测流场中激励源的频率、幅值与位置等,在压气机设计阶段应对此类预测工作予以重视,以期更准确地预测叶片共振及动力响应等问题。