纤维增强复合材料轴的性能与应用

纤维增强复合材料轴的性能与应用

近年来，已广泛应用于越来越多的项目领域，包括航空航天、航空航天、汽车、船舶和机械。这主要得益于复合材料优越的力学性能,如高比强度和比刚度、密度低、减振性能和抗疲劳性能好等。在先进飞机、汽车和船舶的传动系统中,复合材料常被用于一类重要的承载部件-驱动轴的结构设计。轻质各向异性复合材料驱动轴除了满足严格的载荷传输性能的需要,还必须满足高速旋转条件下的动力学性能的要求。在机械加工领域,复合材料的重要应用还包括高速机床主轴以及大长径比镗杆等旋转部件的结构设计。复合材料轴转子动力学研究最重要的内容之一就是振动特性分析及其优化。因此,近30年来,工程技术领域和转子动力学研究领域对复合材料轴转子动力学问题的关注度日益增加。一般来讲,纤维增强复合材料轴具有空心结构形式,壁厚包含n个复合材料单层,每个单层的厚度t复合材料轴转子动力学具有十分丰富的研究内容,本文重点就1997年至今的复合材料轴转子动力学研究的发展状况,进行概述。首先对复合材料轴转子系统的结构动力学建模的理论进行总结,这些理论包括经典梁理论、Timoshenko梁理论、壳理论和非线性梁理论等;其次,描述了运动方程求解的不同方法,如Galerkin法和有限元法;分析了具有复杂因素(包括形状记忆合金(ShapeMemoryAlloy,SMA)复合材料轴和具有约束层阻尼(ConstrainedLayerDamping,CLD)的复合材料轴)的复合材料轴转子动力学研究现状;回顾了复合材料轴转子系统优化设计的研究进展;最后,指出复合材料轴转子动力学研究目前存在的问题以及今后需要关注的问题。1材料轴旋转系统结构的动态理论研究旋转复合材料轴的动力学特性,目前常用的结构动力学建模理论主要是在复合材料梁和壳体框架下的分析理论。1.1基于经典梁理论的轴的低阶固有特性如果轴的截面在变形后仍然保持平面且垂直于变形后的梁的挠度曲线,即轴的剪切变形很小,可以不计,则可采用经典梁理论(ClassicalBeamTheory,CBT)或者是Euler-Bernouli梁理论计算轴的低阶固有特性。Zinberg等1.2simoshenko梁理论TimoshenkoSingh等Song等1.3维壳体运动方程壳体是由内外两个彼此相当靠近的曲面所围成的三维体。壳体厚度至少为曲率半径的1/10为厚壳,否则为薄壳。厚壳理论与薄壳理论最主要的差别是前者包括剪切变形与转动惯量。按照曲线坐标或者壳体坐标写出的三维壳体的运动方程的形式通常是非常复杂的。圆柱壳沿母线方向的曲率为零,周向曲率为常数,在这种情况下,可以将三维壳体运动方程简化为形式简单、易于进行理论分析的二维圆柱壳方程。可用于旋转复合材料轴结构建模的圆柱壳理论主要有Loo理论、Love一阶近似理论、Morley理论、Donnell理论和Sander理论研究旋转复合材料轴的动力学特性,虽然采用二维复合材料圆柱壳理论得到的结果要更加精确,但是,对应的振动微分方程形式以及求解过程,相比一维复合材料梁理论而言,显然要复杂得多。1.4旋转状态下的非线性振动复合材料轴转子系统本质上是非线性的,线性理论模型虽然能够预测转子系统的涡动频率、临界转速和失稳阈,但是却无法预测转子系统在超临界旋转状态下引发的大振幅非线性振动现象,如主共振、拟周期振动和混沌运动等。与复合材料轴结构相关的非线性主要包括Von-Karman几何非线性、大位移/转动和非线性曲率/惯性等。Ren等目前对非线性复合材料轴转子系统的研究工作尚未得到广泛开展,进一步的研究应该结合工程背景提出更符合实际的非线性模型;应用多样化的非线性振动近似理论与方法,从而能够更为全面地揭示复合材料轴转子系统的非线性动力行为。2模型的求解和分析2.1gager东南角方程Galerkin法是一种针对偏微分运动方程的有效的半解析降维求解技术。采用Galerkin法,未知位移变量按照振型函数展开,振型函数的选择需要满足系统的位移边界条件。采用Galerkin可以将运动偏微分方程化简为一组广义坐标表示的常微分方程并且求解得到所需要的近似解。目前,Galerkin法在复合材料轴转子系统动力学分析中得到了广泛的应用。Oh等Galerkin法基本思想是将高维或无穷维动力系统投影到由假设振型(模态)所构成的低维子空间中进行求解。假设振型函数通常由线性算子特征值所对应的特征向量构成,它们需要根据经验直接截取获得。Galerkin法的不足之处在于,一方面,人们事先无法对模态截断对近似解精度产生的影响做出判断,另一方面,忽略高阶模态以及高低阶模态的耦合作用,对许多问题(例如对于非线性振动响应分析)的处理,往往可能会导致错误的结论。因而,人们致力于对Galerkin法进行改进和发展2.2复杂转子有限元求解Alwan等相对于解析求解法,有限元法通用性强,更适合于构型复杂的转子系统,但复杂转子的有限元求解,耗费计算机时,难以快速实现对系统性能的分析与参数优化。此外,现有关于复合材料轴转子系统的有限元分析,主要是采用传统的梁、板和壳体单元对复合材料轴进行离散化,缺少专门针对层合复合材料轴的结构特点而建立的特殊单元。3复杂因素3.1sma的添加量复合材料结构具有易于和智能材料传感器和作动器相融合的特点。SMA作为一类应用广泛的智能材料,近年来在复合材料旋转轴的振动控制研究中开始受到关注。将低温马氏体状态下具有塑性变形的SMA丝沿轴向埋入复合材料轴,如果加热超过SMA的相变温度,利用SMA丝在形状受限恢复过程产生的较大回复应力合成的轴向拉力控制轴的动力学特性,有望满足在高速运转状态下普通复合材料轴转子系统无法满足的动力学稳定性的要求,从而提高复合材料转子系统的临界转速。SMA丝的回复应力与驱动温度、初始残余应变以及马氏体含量等复杂参数密切相关,精确描述SMA丝的回复应力是实现SMA的复合材料转轴动力学建模的基础。为此,需要借助于SMA的一维应力应变本构关系方程Baz等目前,SMA复合材料旋转轴研究仅限于利用受限恢复SMA丝的形状记忆效应,通过马氏体相变改变转子系统的弯曲刚度。事实上,SMA还具有超弹性特性,在一个振动周期内能够产生较大的阻尼,SMA的超弹性特性能够用于增强转子系统的阻尼。然而,国内外目前未见有这方面的研究报道。此外,SMA复合材料旋转轴转子系统动力学模型还没有与主动控制理论与技术相结合,同时也缺乏SMA丝对复合材料旋转轴的不平衡响应特性的影响研究。3.2具有cld的复合材料轴CLD技术是适合于结构减振的一种有效的方法,已经在航空航天、汽车和潜艇振动控制中得到应用。近年来,CLD技术在静止复合材料圆柱壳类结构动力学研究与应用,已经受到人们的重视Napolitanoet等基于CLD的复合材料轴转子系统动力学被动控制技术,设计简单、减振性能可靠,具有广阔的应用前景,因此,围绕具有CLD的复合材料旋转轴转子系统动力学深入开展理论与实验研究,是十分必要的。4参数优化Zinberg等针对硼/环氧直升机尾桨(翼)驱动轴,以最小化重量为目标函数,临界转速、扭转屈曲和强度为变量,进行最优设计,优化结果使得驱动轴的重量减轻了约28%。早期研究主要是针对刚性转子,即工作在亚临界转速范围内的转子。因此,弯曲应力、振动与稳定性以及疲劳等设计参数,并非研究的重点。随着对柔性转子,即在超临界转速下的转子性能的研究,以便能够最大限度地减轻转子的重量,上述设计参数的重要性逐渐开始得到认可。在研究起步阶段,有关参数优化研究大多数采用基于经验的启发式算法。Kim等提出了一个旋转锥形复合材料Timoshenko轴的分析模型,用于研究细长的高速镗削刀杆的动力特性。结果表明,与等直轴相比,锥形轴的固有频率和静刚度能够得到显著地提高。他们还进一步提出了有关横截面沿轴向按指数锥度分布的概念,以适应切削刀具设计的特殊需求。Salzer由此可见,复合材料轴转子系统性能优化主要是针对复合材料轴进行的,其中多以重量最小作为目标函数,进行单目标优化设计,涉及多目标性能设计的研究较少,同时也缺乏针对复合材料轴转子系统的非线性优化设计。5复合材料轴转子系统的研究复合材料轴转子动力学是在高速载运工具轻量化设计的实际需求背景下,从旋转机械转子动力学学科衍生出来的一个新型学科交叉领域。近四十年来,虽然人们针对复合材料轴转子系统已经做了相当多的研究工作,但对它的认识还不够深入和清晰,研究方法还有所欠缺,研究内容也不够全面,特别是一些与工程背景密切相关的影响因素在复合材料轴转子系统理论模型中还未得到体现,所以,现有的复合材料轴转子系统理论与实际的工程应用之间,还存在着相当大的差距。对于复合材料轴转子系统动力学研究今后的发展,下面的问题值得考虑:(1)对旋转复合材料轴转子系统分析,除了采用Galerkin法,还可以引入其他的一些有效的解析方法进行模型求解,如微分求积法(Differenticalquadraturemethod)(2)开展包括旋转复合材料轴、盘和叶片在内的复杂转子集成系统的动力学建模与分析,研究转子系统中的盘、叶片与复合材料轴之间的相互耦合动力学特性。对于上述转子系统中的不同部件采用合适的有限元法进行计算是至关重要的。(3)复合材料轴转子动力学研究目前多限于针对其宏观动力学特性的研究,如涡动频率、临界转速、失稳阈和不平衡响应等。有关复合材料旋转轴的壁厚内部的状态的细观特性的研究,如裂纹、脱层、纤维断裂、基体退化以及在纤维角变化和体积含量的缺陷研究,未见有报道。建立含缺陷的复合材料轴转子的动力学模型,研究缺陷对系统固有振动特性的影响,对于建立和发展复合材料轴转子系统的损伤识别与健康诊断技术,是十分必要的。(4)现有复合材料轴转子动力学研究大多没有考虑周围介质的影响。为了评价复合材料轴设计方法的可靠性,特别是涉及高温条件下的应用,诸如,受到高温影响的燃气轮机转子系统,应该考虑分布在复合材料轴的表面和内部的温度场、温度对材料特性