基于有限元法的试验机转轴动力学分析

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分析结果说明转轴左端前后方向和竖直方向的弯曲振动模态比较容易引起转轴的共振。分析结果为转轴结构的进一步
优化提供了理论参考。
关键词：试验机转轴；动态特性；模态分析；谐响应分析
中图分类号：ＴＨ１６
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１ — ３９９７（２０１３）０７ — ０１３７ — ０３
ｔｅｐｈａｒｔｆｔｏｅｈｓｈｉｓｅｓｉａｅｒｔｏｃａｌｌ￣ｅｉｔｓｒｅｓｏｎａｎｃｅ．Ｉｎｏｎｅｗｏｒｄ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｆｔｏｈｅａｎａｌｙｓｅｓｐｒｏｖｉｄｅ口ｔｈｅｏｒｅｔｃｉａｌｒｅｆｅｒ￣ｅｅｎ，０ｒｆｕｒｔｅｒｈｏｐｔｉｍｉｚｔｉａｏｎｆｔｏｅｈｓｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．
ＤｙｎａｍｉｃｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＴｅｓｔＭａｃｈｉｎｅＳｈａｆｔＢａｓｅｄｏｎＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ
ＷＥＮＧｕａｎｇ，ＺＨＯＵＧｕｉ－ｙｕａｎ，ＷＡＮＧＪｕａｎ，ＷＡＮＧＣａｉ－ｙｕｎ，ＬＩＵＱｉ－ｙｕｅ
第７期２０１３年７月
机械设计与制造
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ１３７
基于有限元法的试验机转轴动力学分析
文广，周桂源，王娟，王彩芸，刘启跃
６１００３１）（西南交通大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所，四川成都
ｃｌｏｓｅ．Ｗｈｉｌｅｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｆｈｏａｒｍｏｎｃｉｒｅｓｐｏｎｓｅｎａａｌｙｓｓｉｓｈｏｗｔｈｔａｔｅｈｂｅｎｄｉｇｎｖｉｂｒｔｉａｏｎｆｏｒｗａｒｄ．ｂｃｋａｗａｒｄａｎｄｕｐｒｉｇｈｔｏｎ
（ＴｒｉｂｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＴｒａｃｔｉｏｎＰｏｗｅｒ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｉｃｈｕａｎＣｈｅｎｇｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｔｅｓｔｍａｃｈｉｎｅｓｈｇｒｅｔａ＠ａｆｅｃｔｔｈｅｄｙｏ￣ｍｃｉｐｅｆｏｒ，ｎｏ￣ｅａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｃｃａｕｒａｃｙｆｔｏｈｅｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｅ．Ｔｎｈｅｉｎｆｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｅｔｍｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｄｏｍｏｄｅｌｎａａｌｙｓｉｓａｎｄｈａｒｍｏｎｃｉｒｅｓｐｏｎｓｅｎａａｂｙｓｉｓｏｎｔｈｅｅｔｓｔ
ｗｈｃｉｈｈａｓｔｈｅｇｒｅａｔｅｓｔｅｆｅｃｔｏｎｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｔｏｈｅｓｈｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｈａｒｍｏｎｃｉｒｅｓｐｏｓｅｎａｎａｌｙｓｓｉ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｆｏｏｄｍｅｌａｎａｌｙｓｓｉｉｄｉｎｃｔｅａｔｈｔａｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｈａｓｓｏｅｔｍｈｉｎｇｔｏｄｏｗｉｔｈｔｈｅｍｏｄｅｌｐａｒｔｓａｎｄｔｈｅｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｎｔｈｅＳＯＩＩｌ￣ｐａｒｔ
ｍａｃｈｉｅｎｓｈａｆｔＥｃｈａｍｏｄｅｎｄｉｎｇｎｔａｕｒｄｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｆｔｏｅｈｓｈｏｒｅｗｏｒｋｅｄｏｕｔｂｙｍｏｅｌｄｎａａｌｙｓｓｉ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌ
摘
要：试验机转轴的动态特性极大地影响了试验机的动力学性能和工作精度，论文利用有限元方法（ＦＥＭ）对试验机转
轴进行了模态分析和谐响应分析，利用模态分析得出转轴的各阶模态及其固有频率，利用谐响应分析得出对转轴振动影响最大的模态。模态分析结果说明固有频率的大小与模态发生的部位有关，同一部位发生的模态固有频率接近；谐响应

基于有限元法的泵轴强度分析

从应力分布云阿３４上可以看出，泵轴和３泵轴三维造型网格及约束条件泵轴三维模型采用ＰｏｒＥ软件建立，／然后导上的第一主应力在叶轮端安装轴段根部出现最入到ＡＳＳＮＹ中。采用了ｌ级精度进行了划分，大值，在试验和实际情况中，这里也的确是常常提高了数据结果的精度，得到了较好的网格质发生断裂的地方。根据应力分布云图，以看到可量。泵轴静力研究的载荷系统是弯扭结合，选择泵轴的危险点主要有以下三个：）（轴在叶轮端１经计算，叶轮的重心恰ＳＬＤ５计算单元可以很好地满足分析的需连接螺纹后的退刀槽处，ＯＩ９要。在轴的１两个端面上限制了轴向位移，、２在好在这附近。凶此取叶轮汁算重心作为第二位３４两个端面上限制了径向位移。另外，了限危险点，、为如图５中的点Ｉ（叶轮和泵轴连接的；）２图５泵轴上的危险点制轴的刚性转动，在轴的叶轮端施加了绕轴转轴段根部，取如图５中的点２；内磁转子端，在表２危险的主应力（单位：Ｐ）Ｍａ动的角位移约束并同时施加了扭矩，决了在危险点的位置在键槽侧面上，解如图５中的点４。关死工＿兄最静力分析中轴本身刚性旋转的影响问题。网格另外，图中的３号点为在对泵轴进行刚度期第２期第１强期杰力主应力捌］主应力主应力主应力变形分析所选取的点。之所以选择１３点作为、划分及约束如图１所示。、２危险点１ ∞６８７２５８６１３１９２３７１＆１在载荷的施加上，根据轴的实际情况，了分析挠度的节点，因为这两个点基本上是与作是危险１点２６７７９－４５８１５ｍ７３７瑚４如下处理：）向力没有简单施加在轴的两端，叶轮和内磁转子的重心重合。（轴１危险６点４２４剖．２ —９７１８６９也３稍４而是根据结构特点作了特殊处理。叶轮端的轴４＿２强度分析表３危险点的相当应力（单位：Ｐ）Ｍａ向力施加在限制叶轮轴向位移的螺纹处，内磁在静力分析中对危险点进行校核，主要的关死工况最优工况转子端的轴向力施加在轴上轴肩的端面一依据是第ｉ和第四强度理论。第ｉ强度理论的因为集中力和力矩会产生较大应力集中，这与基本假设是：最大剪切力是引起材料屈服的原实际晴况不符，因此在进行了适当的等效处理因。四强度理论的基本假设是：第畸变能是引起后，向力和转子的重力都作为沿轴向均匀分材料屈服的主要原因。径根据计算结果，得到如表危险点１２９７．２２６５．３１０５．２１Ｏ５．３布，扭矩施加在内磁转子与轴连接的轴段上均２所列的危险点主应力的情况。危险点２４０．３９９６７８３６３８．３３１１．匀分布，向力也都在所施加的表面七轴均匀分查表可知，材料许用应力为［］２Ｍａ经ｏ＝０Ｐ，＇５危险点４８３０９７２．１３．１３．５０５９布。另外，实际上径向力、子的重力、转转子质量比较可以看泵轴满足材料的静强度要求。不均匀产生的离心力，由于轴的旋转，引起交会需要特别说叫，在有限元的分析中，以单分析对象的变形趋势，是为了更直观，往在数值往变应力，但是在静力分析中，没有考虑这种影响元和节点作为计算单位的，因此在对泵轴的分有一定的夸大，准确地说，变形图是相对变形析过程中，都是钊对危险点进行图。 ‘ 计算的，而不是和传统方法一样＾Ｎ是针对危险截面进行计算的。４－３泵轴静力状况下的变形另外，算过程中还得到在计了如图６所示的两种一况下泵轴ｒ在静力作用状态中的变形情况。需要说明的是，在ＡＳＳ得到ＮＹ的变形网中，给出的直观效果是图１泵轴网格划分图２泵轴约束（）死工况ａ关

基于多体动力学和有限元法的机车车体结构疲劳仿真研究

基于多体动力学和有限元法的机车车体结构疲劳仿真研究一、本文概述随着现代轨道交通的飞速发展，机车车体结构的疲劳问题日益凸显，对机车运行的安全性和稳定性构成了严重威胁。

因此，对机车车体结构进行疲劳仿真研究具有重要的现实意义和工程应用价值。

本文旨在通过结合多体动力学和有限元法，对机车车体结构的疲劳特性进行深入探讨，以期在理论层面为机车车体结构的优化设计和疲劳寿命预测提供科学依据。

多体动力学作为研究多个刚体或柔性体之间相互作用的一门学科，能够全面考虑机车车体在运动过程中的复杂动力学行为。

有限元法作为一种数值分析方法，能够精确地模拟机车车体结构的应力分布和变形情况。

通过将两者相结合，可以在更准确的模拟机车车体结构在实际运行过程中的受力状态，进而分析车体结构的疲劳特性。

本文首先将对多体动力学和有限元法的基本原理进行简要介绍，然后详细阐述如何将这两种方法相结合，构建机车车体结构的疲劳仿真模型。

在此基础上，通过对仿真结果的分析，探讨机车车体结构的疲劳分布规律、疲劳寿命预测方法以及疲劳优化设计的可能性。

本文还将对研究中存在的局限性进行反思，并提出未来研究的方向和展望。

通过本文的研究，希望能够为机车车体结构的疲劳仿真提供一种新的思路和方法，为提升机车车体结构的安全性和稳定性提供理论支持和实践指导。

二、多体动力学理论及应用多体动力学，作为研究多个相互连接的刚体或弹性体在复杂系统中的运动规律的科学，近年来在机车车体结构研究中得到了广泛应用。

该理论的核心在于通过建立精确的数学模型，模拟机车在实际运行过程中的各种动力学行为，包括振动、冲击、加速度分布等，从而为车体结构设计提供理论支撑和优化方向。

在机车车体结构疲劳仿真研究中，多体动力学的主要应用表现在以下几个方面：建立多体动力学模型：基于机车的实际结构和运行条件，通过引入适当的约束条件和连接关系，建立包含车体、转向架、轮对等关键部件的多体动力学模型。

这一模型能够反映机车在实际运行中的动态行为，为后续的疲劳仿真分析提供基础。

基于多体动力学和有限元法的机车车体结构疲劳仿真研究

基于多体动力学和有限元法的机车车体结构疲劳仿真研究一、概述本文主要研究机车车体结构在疲劳寿命方面的仿真，采用多体动力学和有限元法相结合的方法。

由于机车车体结构相对复杂且现场结构耐久性试验费用昂贵，目前国内外对机车车辆车体结构在动载作用下的结构疲劳强度和动应力分析方法涉及相对较少。

实际服役的机车车体结构承受的主要是随机的动载荷，因此直接将静强度分析结果应用于车体结构的疲劳强度评估会产生严重问题。

随着列车运营速度的不断提高，生产安全、可靠、轻量化的车体结构已成为现代机车车辆工业的主要发展趋势，因此机车车体结构疲劳寿命仿真研究成为一项迫切的任务。

本文基于相关领域结构疲劳研究成果，吸取文献中的最新算法，提出了一种利用多体动力学仿真和有限元分析相结合的方法对车体结构的疲劳寿命进行仿真，并进行了较为系统的研究。

研究范围主要集中在机车的多体动力学仿真、车体结构有限元分析和结构疲劳寿命预测上。

具体研究过程主要包括：使用时频复现技术获得多体动力学仿真的轨道随机时域激励利用SIMPACK对机车整车系统进行刚柔体混合建模与仿真（分别考虑车体为刚性和柔性）利用ANSYS计算车体结构的应力（包括模态分析、子结构分析等）结合材料SN曲线和疲劳损伤累积理论进行疲劳寿命预测。

通过这些研究，旨在深入了解机车车体结构的抗疲劳特性，为生产更安全、可靠的车体结构提供理论支持。

1. 研究背景和意义随着高速铁路和重载铁路的迅速发展，机车车体的安全性和可靠性要求日益提高。

疲劳破坏作为机车车体结构的主要失效形式之一，其预防和控制对于确保列车的安全运行至关重要。

传统的机车车体疲劳分析方法主要依赖于试验和经验，不仅周期长、成本高，而且难以覆盖所有可能的工况和边界条件。

开展基于多体动力学和有限元法的机车车体结构疲劳仿真研究具有重要的现实意义和工程价值。

多体动力学作为研究多体系统运动规律的有效工具，能够准确模拟机车在复杂工况下的动力学行为，为车体结构提供准确的动态载荷输入。

基于有限元法的艉轴静态计算与模态分析

刚度矩阵，可以表征其抵御外力
基于有限元法的艉轴静态计算与模态分析
赵子昂
（中国人民武装警察部队海警学院，浙江宁波 315000）
摘要：船舶轴系的工作状态对主推进动力装置甚至整个船舶的正常运转起到至关重要的作用，艉轴部分与螺旋桨直接相连，运转工况多变、影响因素复杂。利用基于 ANSYS APDL 的有限元法，对某实船艉轴通过位移约束、弹簧单支点约束和弹簧三支点约束条件施加的方式进行轴承模拟建模，并进行静态校中计算和模态分析，得到不同约束条件下静态和模态的各项状态参数计算结果，分析不同轴承建模方法下的静态计算结果差异和模态频率与振型，为轴系校中计算、船舶艉轴设计及故障诊断提供参考。
关键词：轴系校中；有限元；模态计算；ANSYS APDL；故障诊断中图分类号：U664.21 文献标志码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2019.04.001
Static Calculation and Modal Analysis of Stern Shafting Based on Finite Element Method
0 引言
船舶轴系将主柴油机发出的功率传递给螺旋桨，再由螺旋桨把轴向推力传递给船体，推动船舶行进。所以，船舶轴系是船舶动力装置的重要组成部分之一[1]。轴系应具有良好的安装状态，使其全部轴承上的负
荷及各轴段内的应力都处在规定允许的范围内，以保证轴系可以长时间正常运转[2]。而安装状态的好坏主要取决于校中质量[3]。良好的校中状态不但可使船舶轴系性能提高、增加船速、减少振动与噪声，还可以改善轴承工况、合理分配各轴承负荷、减少轴承磨损、提
ZHAO Zi’ang (China Coast Guard Academy, Ningbo 315000, Zhejiang, China)

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