基于接触有限元的斜齿轮副啮合动态响应及频谱特性分析

基于ABAQUS商业有限元软件,采用三维接触有限元方法,建立考虑轴及轴承刚度的一对斜齿轮副-轴-轴承系统动态啮合有限元模型。分析齿轮副在仅释放从动轮旋转自由度、释放从动轮所有自由度、在从动轮中心施加轴向静推力3种工况下的啮合动态响应。对响应中的角速度、角加速度、法向动态接触力开展频域特征分析,相较于现有研究获得详细的频谱特性、幅值特性。研究结果表明,考虑轴与轴承刚度后,齿轮副的振动响应加剧;响应的频域中呈现以啮合频率为载波频率、以从动轮转频及其倍频为调制频率的调制现象。     

考虑内部激励随机性的两级分流式人字齿轮传动动力学特性

根据某特种装备用两级分流式人字齿轮传动系统的构型特点,考虑轴承变形、啮合刚度、啮合误差和齿侧间隙等因素,建立了两级分流式人字齿轮传动系统的轴承-齿轮耦合非线性动力学模型。采用Runge-Kutta逐步积分法求解系统的非线性动力学微分方程,从而获得随机啮合刚度和啮合误差激励作用下两级分流式人字齿轮传动系统的动态啮合力和动态支承力及其频谱,采用Monte Carlo仿真获得动态啮合力和动态支承力的统计特征,研究了啮合刚度和啮合误差随机性对动态啮合力和动态支承力的影响规律,为两级分流式人字齿轮传动系统动力学优化以及动态可靠性优化奠定基础。     

两挡AMT斜齿轮弯扭轴耦合非线性振动特性分析

纯电动汽车两挡机械式自动变速器(automated mechanical transmission, AMT)中,斜齿轮传动系统的非线性振动会引起变速器的振动和噪声。为研究两挡AMT斜齿轮系统的非线性振动特性,结合实际变速器结构,考虑齿轮系统的时变啮合刚度、齿侧间隙、静态传递误差以及轴承支撑刚度等因素,建立两挡AMT斜齿轮系统"弯-扭-轴"耦合动力学模型,分析了耦合振动特性的分岔图及其相图特性。结果表明:变速器工作在一挡时,随着转速增加,啮合频率不断增大,系统出现周期运动和混沌等现象;当承载齿轮副为单倍周期运动时,空载齿轮副扭转振动剧烈程度随着转速升高而增大;适当增大齿轮啮合阻尼比和啮合刚度,有利于减小承载齿轮最大扭振点的振幅。研究结果对纯电动汽车两挡AMT结构设计、动力学分析和换挡应用提供了技术支撑。     

刚柔耦合齿轮三维接触动力学建模与振动分析

基于多体动力学理论和迟滞接触动力学方法,提出了刚柔耦合齿轮三维接触动力学模型和动力学分析新方法.考虑轮齿与轮体间的相对柔性变形,啮合齿对间球-面三维动态接触和齿轮几何参数等因素,通过离散齿廓渐开线获得了齿面的离散接触面,从而建立了齿轮啮合传动动力学模型.通过数值求解与仿真分析,研究了单侧齿面接触、双侧齿面接触和刚柔耦合特性对齿轮啮合传动特性的影响规律,获得了啮合轮齿全齿面接触冲击力,力矩和角速度等齿轮啮合传动的动态响应特性.研究表明:新方法和动力学模型更真实地模拟了齿轮啮合传动的齿轮柔性变形和接触冲击等振动响应特性.该方法和数值计算结果为齿轮啮合传动和齿轮系统动力学研究提供了理论指导和参考数据.     

齿轮-转子-轴承系统弯扭耦合非线性振动特性研究

针对存在不对中因素的花键联轴器齿轮-转子-轴承系统,考虑齿轮啮合力和花键联轴器啮合力的影响,引入轴承非线性赫兹力,建立齿轮-转子-轴承系统动力学模型,推导了弯扭耦合振动的动力学微分方程。通过进行数值仿真求解,结合随轴承非线性参数变化的分岔图等,研究了啮合频率、滚子数目和轴承游隙等参数对系统振动响应特性的影响规律,为齿轮转子耦合系统参数选择、诊断和安全运行提供了理论依据。     

柔性壳体对变速器齿轮副动态啮合特性的影响分析

齿轮副动态啮合特性不仅受齿轮系统本身的影响,还与壳体动态性能密切相关。对变速器壳体模态进行仿真分析和实验测试,采用模态频率误差评价和模态相关分析方法,验证分析了有限元分析模型的有效性。基于多体动力学理论,构建考虑壳体弹性振动特性影响的齿轮系统耦合振动分析模型,对比分析有无柔性壳体状态的齿轮副啮合错位量、接触斑点、传动误差及动态啮合力等动态啮合特性参数。通过接触斑点实验对比分析仿真计算的接触区域,结果表明壳体弹性变形对齿轮副啮合斑点有明显影响。采取提高变速器壳体刚度的技术措施对壳体进行结构优化,优化后的齿轮副动态啮合特性显著改善。     

采煤机截割传动系统耦合动力学建模与传动齿轮啮合状态分析

为研究滚筒式采煤机摇臂壳体变形及其对齿轮传动系统的影响,建立了摇臂壳体-传动系统耦合动力学模型。首先分别建立摇臂壳体、平行轴齿轮、行星齿轮、轴系、电机和滚筒等子结构模型,然后利用连接界面的变形协调条件将这些子结构耦合得到完整系统模型;在此基础上以某型300 kW采煤机为例,进行了额定工况下的截割传动系统动态响应仿真分析,得到了摇臂壳体变形状态及其对各齿轮副啮合状态(用啮合齿向误差衡量)的影响规律。对由壳体变形、轴承变形、轴系变形所引起的啮合齿向误差进行了溯源分析,分析表明双联齿轮的啮合齿向误差受轴变形影响最大,惰轮的啮合齿向误差受壳体变形影响最大。     

多轴系耦合作用下齿轮系统转子裂纹故障的振动特性研究

为了探究多轴系耦合齿轮系统中的转子裂纹故障与单轴系转子裂纹故障振动响应特性的异同点,基于Jones轴承建模理论,建立滚动轴承的拟静力学模型;利用Timoshenko梁单元建立传动轴的有限元模型;考虑时变啮合刚度、齿轮传递误差、陀螺效应等因素,利用集中参数法建立齿轮副的动力学模型。将轴承、传动轴与齿轮副模型进行集成,建立齿轮系统非线性动力学模型;利用能量释放率理论与应力强度因子为零法分析裂纹转子单元的呼吸效应,利用Newmark-?数值积分法对转子裂纹故障进行动力学仿真,研究转子裂纹故障的振动响应特征。结果表明：与单轴系转子裂纹故障不同,当齿轮系统发生转子裂纹故障时,由于齿轮啮合的引起的耦合效应及转子裂纹引起的呼吸效应,时域响应表现出明显的幅值调制现象,频域中转频及其2倍频幅值增加明显,在啮合频率处伴有明显的边频带。研究结果为齿轮系统转子裂纹故障的监测与诊断提供了理论基础。     

裂纹故障对斜齿轮时变啮合刚度及振动响应的影响分析

以含裂纹故障的斜齿轮传动系统为研究对象,结合轮齿接触、弯曲、剪切、轴向压缩及基体弹性变形,提出了含裂纹故障斜齿轮副时变啮合刚度修正算法,并通过有限元法验证了算法的正确性,而后分析了不同长度、深度、角度等裂纹参数对斜齿轮啮合刚度的影响规律。在此基础上,综合考虑齿轮时变啮合刚度、静态传动误差、轴承支撑刚度及齿轮转子陀螺力等因素,基于轴系单元法建立了单级裂纹故障斜齿轮传动系统耦合动力学模型,采用Newmark-β法对系统动态特性进行分析,研究了裂纹参数对系统振动响应的影响。结果表明,随着裂纹深度及长度的增加,齿轮副啮合刚度有较大幅度的减小,系统时域响应中存在周期性冲击现象,频域响应中出现了以啮合频率为中心的调制边频带,研究结果可为含裂纹齿轮传动故障诊断提供理论依据。     

汇流传动齿轮-转子-轴承系统非线性动力学分析

考虑齿侧间隙、传动误差和时变啮合刚度等非线性因素,并同时考虑滑动轴承非线性油膜力和齿轮啮合力的耦合影响,建立了汇流传动齿轮-转子-轴承系统的动力学模型。从转速方面出发,研究了齿轮系统的非线性动态响应,分析了齿轮啮合力和非线性油膜力之间的耦合作用,判断了转速变化下的油膜稳定性。结果表明：随着转速变化,系统表现出周期一运动、周期二运动、拟周期运动,混沌等丰富的动力学特性,并发现了拟周期分岔通向混沌的道路;随着转速升高,非线性啮合力和非线性油膜力先后对系统振动起到主要作用;油膜振动通过半频涡动失去了稳定性。     

Buckling failure analysis of all-terrain crane telescopic boom section

In this research work, a nonlinear structure analysis by the finite element analysis (FEA) was carried out to investigate the failure reason of an all-terrain crane telescopic boom. An overall simplified model consisting of telescopic boom and luffing jib was established by beam element, and analyzed using geometric nonlinear static method. A local detailed model consisting of the 4th and 5th telescopic boom section (TBS) was established by shell and solid element, and analyzed using geometric nonlinear and contact nonlinear static method. The result of the overall simplified model FEA indicated that the boom strength met the design criteria, and the 5th TBS of local detailed model occurred stress wrinkle.Structure experiment was designed based on the boom load characteristics in accident and analyzed using nonlinear static method and explicit dynamic method; the connection of load, boom buckling failure and stress wrinkle was studied. The result indicated that the accident was caused by elastic buckling. When the telescopic boom stress state changed from continuous state to wrinkle state, the buckling occurred. So the critical buckling state characteristic was stress wrinkle.     

准双曲面齿轮动态啮合性能的有限元分析研究

研究准双曲面齿轮动态啮合有限元分析模型的构建方法,建立了合理的有限元模型。基于接触动力学的基本理论和显式有限元分析方法,对准双曲面齿轮的动态啮合性能进行了研究,得到啮合接触冲击特性、齿面接触区域、齿面接触应力及齿根弯曲应力等在轮齿动态啮合过程中的变化规律。以转速和负载两个典型的工作条件为变量,建立对比分析模型,研究转速和负载对准双曲面齿轮动态啮合性能的影响。转速对准双曲面齿轮动态啮合性能影响显著,而负载对准双面齿轮的动态啮合性能影响则跟转速有关,随着转速的增大,相同的负载变化对动态啮合性能的影响逐渐减弱。     

A three‐dimensional surface stress tensor formulation for simulation of adhesive contact in finite deformation

A three‐dimensional surface adhesive contact formulation is proposed to simulate macroscale adhesive contact interaction characterized by the van der Waals interaction between arbitrarily shaped deformable continua under finite deformation. The proposed adhesive contact formulation uses a double‐layer surface integral to replace the conventional double volume integration to compute the adhesive contact force vector. Considering nonlinear finite deformation, we have derived the surface stress tensor and the corresponding tangent stiffness matrix in a Galerkin weak formulation. With the surface stress formulation, the adhesive contact problems are solved in the framework of nonlinear continuum mechanics by using the standard Lagrange finite element method. Surface stress tensors are formulated for both interacting bodies. Numerical examples show that the proposed surface contact algorithm is accurate, efficient, and reliable for three‐dimensional adhesive contact problems of large deformations for both quasi‐static and dynamic simulations. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

具有初始应力加劲板的非线性动力学特性

针对工程结构中常用的加劲板,研究了其在初始应力作用下的非线性振动特性。将母板与加劲肋分开考虑,其中母板按薄板理论考虑,加劲肋按Euler-Bernoulli梁理论考虑,根据母板与加劲肋的应力与应变关系建立系统的应变能表达式,同时结合系统的动能表达式,并利用Lagrange方程建立系统的非线性动力微分方程。运用椭圆函数求得加劲板单模态的非线性频率,采用同伦分析方法求解加劲板的3∶1内共振。通过参数分析,重点讨论初始应力变化对系统非线性动力特性的影响,并得出初始应力的存在对加劲板非线性动力特性的影响规律。     

公铁两用隧道动态响应的并行计算分析

具有复杂结构和多种用途的隧道正受到广泛运用。为了分析隧道结构在多种载荷下的响应特性,在LS-DYNA环境下,建立了列车-隧道-土体的动力耦合三维有限元计算模型,采用基于负载均衡的并行计算技术,解决了该大规模非线性有限元模型的求解难题。结果表明：运用动力松弛法加载静应力场可以取得较好的效果;加载静应力场时,隧道与土体接触计算更准确,且应力响应分布规律不同;列车及公路车辆载荷的影响远大于轨道不平度的影响,隧道衬砌在公路车道准静态载荷下的垂向位移约1.15mm,在列车动载荷作用引起的垂向位移峰值约0.8mm;基于接触负载均衡的并行计算方法提高了约15%的计算效率,而对于CPU数量的选择,需要综合考虑模型的规模和空间拓扑结构。     

具有双稳态特性的永磁惯性开关

为了提高惯性开关的双稳态特性和可靠性,笔者利用永磁力与磁体间距的非线性关系,设计了一种平行梁支撑结构的永磁式微型惯性开关,建立了永磁力、阻尼力、惯性力、弹性力及触点碰撞力等多力耦合作用下的开关动力学模型仿真与实验结果表明,在非线性永磁力作用下开关具有良好的阂值特性和闭合接触可靠性．采用离心机对开关样机进行初步测试,得到开关的平均闭合阀值为51．6g（g为重力加速度）,与设计值50g的偏差仅为3．2％,闭合后断开阀值分别为7．5g,9．0g和27．0g,显示了开关良好的阀值特性,验证了永磁体应用于惯性开关的可行性．通过改变设计参数可以设计具有不同阀值的加速度开关．     

等高齿锥齿轮非线性振动特性的联合求解方法

齿轮重载啮合中发生的轮齿接触损失会引起齿轮传动中的动态传递误差,动态传递误差的存在是等高齿锥齿轮非线性振动的重要原因,准确预测和计算等高齿锥齿轮传动中的动态传递误差是进一步改善这类齿轮系统振动特性的有效手段。针对某重载等高齿锥齿轮,研究了其在一定运行速度和扭矩范围内的频率响应特性;运用一种新的曲面积分与局部有限元联合求解方法求解了等高齿锥齿轮传动中的动态传递误差,从而揭示出此类传动系统振动的强非线性特性。这种方法无需将时变拟合刚度和啮合频率变量等非线性因素作为外部的激励进行求解,而是从齿轮啮合的每一时步,计算动态啮合力以及动态传递误差,最终得出等高齿锥齿轮的非线性振动特性。该方法可以精确表达轮齿几何及轮齿接触力等因素对齿轮动力学性能的影响,为等高齿锥齿轮这类复杂振动特性的传动系统提供了一种行之有效的分析方法。     

An Improved Concrete Damage Model for Impact Analysis of Concrete Structural Components by using Finite Element Method

This paper presents the development of an improved concrete damage model for projectile impact on concrete structural components. The improvement is in terms of reduction of input material parameters for nonlinear transient dynamic impact analysis by employing concrete damage model. The experimental data such as pressure vs volumetric strain, triaxial compression failure and pressure vs stress difference have been used for evaluation of the important parameters of concrete damage model. Various contact algorithms have been outlined briefly to model the interface between the projectile and target. The nonlinear explicit transient dynamic analysis has been carried out by using finite element method to compute the responses. It is observed that the computed penetration depth obtained in the present study is in good agreement with those values of corresponding experimental studies and LS-DYNA.     

聚合物泡沫座垫的多滞回环型动力学特性的一种建模方法

该文进行了汽车座椅聚合物泡沫座垫多滞回环型动力学特性的一种新的建模方法研究。基于对泡沫座垫的动态特性实验测试结果分析,构造了座垫的非线性动态特性的准静态分量和动态分量子模型,并进行了模型及其参数辨识。采用滞回偏移量的概念,建立了准静态分量的非线性特性模型;基于分数阶导数,建立了简明、精细的动态分量子模型。通过系列实验测试结果,验证了所建立聚合物泡沫座垫的静、动态叠加非线性力学模型,表明该模型具有较高的精度。     

Post-derailment dynamic behaviour of a high-speed train under earthquake excitations

A post-derailment dynamic model of a high-speed train is developed to investigate the post-derailment dynamic behaviours of a high-speed train travelling on a railway bridge during an earthquake. The train model is comprised of two trailer cars and two motor cars. The adjacent two cars are coupled with a coupler model considering the nonlinear characteristic and limit rotation angle of the coupler. A bridge seismic response model is formulated by using the finite element method to evaluate the dynamic responses of the railway bridge under earthquake excitations, and then the responses are used as the input of the post-derailment dynamic model to analyze the post-derailment dynamic behaviours of a high-speed train. Before derailment the high-speed train runs over the rails, the nonlinear Hertzain contact model and the FASTSIM algorithm are employed to estimate the wheel/rail normal forces and tangent forces respectively. After derailment the high-speed train runs on the slab track, the OBBtrees theory is adopted to detect the contact situations between the vehicle components and the track, while the normal forces and tangent forces at the contact points are evaluated by the nonlinear Hertzain contact theory and the Coulomb friction law respectively. Using the post-derailment dynamic model of a high-speed train, the derailment postures of the high-speed train under earthquake excitations are investigated, and the effects of marshalling type of train on the post-derailment dynamic behaviours are further discussed in this study. The results indicate that the trailer car has a better self-protection capacity compared to those of a motor car during a derailment. The marshalling type (TC1 + MC2 + MC3 + TC4) of a high-speed train can easily form the buckling pattern after a derailment, which may contribute considerably to the outcomes of a derailment. Therefore, it is necessary to take some countermeasures to eliminate the buckling pattern of train during a derailment.