弹性阻尼簧片减振器动力学仿真及疲劳寿命分析

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弹性阻尼簧片减振器在减小船舶推进轴系的扭转振动方面起着十分重要的作用,安装减振器后,可通过改变轴系扭振系统的固有频率来降低轴系的扭振。利用减振器的减振作用,还可以有效地保护柴油机曲轴、凸轮轴、中间轴和螺旋桨轴,并消除轴系的临界频率,从而避免柴油机曲轴在禁止速度范围内工作。弹性阻尼簧片减振器通常安装在柴油机曲轴的自由端,由内部构件和外部构件两部分组成,二者之间置有簧片组。由于运行过程中主簧片和簧片组件反复弯折,承受交变载荷,减振器构件疲劳寿命问题必须加以重视。因此,开展弹性阻尼簧片减振器动力学仿真及疲劳寿命分析,对提高减振器运行安全的可靠性,具有十分重要的理论意义和工程实用价值。论文应用多体系统动力学理论和疲劳寿命分析方法,并结合有限元数值仿真技术,对弹性阻尼簧片减振器进行动力学仿真及疲劳寿命计算。本文的主要研究工作如下:①以柴油机推进轴系扭振系统为研究对象,对轴系扭振进行研究,建立了船舶推进轴系扭转振动系统的简化模型和集中参数模型,运用Holzer表格法和瞬态动力学方法对轴系的自由振动和强迫振动进行了计算。②在Ansys中建立了弹性阻尼簧片减振器模态分析模型,采用分块Lanczos法对簧片减振器进行模态分析,计算簧片减振器的固有频率及固有振型。③在ANSYS/LS-DYNA软件中,对弹性阻尼簧片减振器进行网格离散,生成多体接触动力有限元模型;通过动力接触有限元仿真分析,得出簧片减振器的应力云图、花键轴与主簧片间动态接触力曲线、簧片组件间动态接触力曲线,以及减振器等效应力时间历程。④以减振器运转过程中花键轴和主簧片之间的动态接触力为疲劳分析的载荷谱,基于GL规范计算簧片减振器材料的S-N曲线,结合减振器静力分析所得的应力应变结果,利用ANSYS/FE-SAFE软件中的名义应力法对簧片减振器进行疲劳寿命分析,得出减振器的对数疲劳寿命及疲劳安全系数,对簧片减振器疲劳寿命影响因素进行分析。
摘要第3-4页
ABSTRACT第4-5页
1 绪论第9-15页
    1.1 课题的来源及研究意义第9-10页
    1.2 国内外研究现状第10-13页
        1.2.1 减振器配机扭振的研究现状第10-11页
        1.2.2 减振器动力学分析研究现状第11-12页
        1.2.3 减振器疲劳分析研究现状第12-13页
    1.3 本文的主要研究内容第13-15页
2 船舶推进轴系扭转振动分析第15-29页
    2.1 引言第15页
    2.2 轴系的简化及方程建立第15-18页
        2.2.1 曲轴扭转振动当量系统概述第15页
        2.2.2 当量扭振系统转化的要求和方法第15-16页
        2.2.3 动力学方程的建立第16-18页
    2.3 轴系自由振动的计算第18-25页
        2.3.1 轴系的自由振动的计算方法第18页
        2.3.2 Holzer 法计算轴系的固有频率和振型第18-24页
        2.3.3 运用 MATLAB 计算轴系扭振固有频率第24-25页
    2.4 船舶推进轴系强迫扭振的计算第25-28页
        2.4.1 轴系激振力矩的来源第25页
        2.4.2 强迫扭振动力学模型建立第25-27页
        2.4.3 强迫扭转振动计算第27-28页
    2.5 本章小结第28-29页
3 弹性阻尼簧片减振器动力学仿真第29-47页
    3.1 引言第29页
    3.2 LS-DYNA 显式动力分析基本理论第29-32页
        3.2.1 LS-DYNA 动力分析功能介绍第29-30页
        3.2.2 动力学基本方程第30-31页
        3.2.3 显式时间积分与时间步控制第31-32页
    3.3 簧片减振器结构简图及工作原理第32-33页
    3.4 簧片减振器模态分析第33-36页
        3.4.1 模态计算模型第33-34页
        3.4.2 模态分析结果第34-36页
    3.5 簧片减振器动力学仿真第36-45页
        3.5.1 动力学模型的建立第36-38页
        3.5.2 创建接触并施加约束第38页
        3.5.3 对减振器加载并求解第38页
        3.5.4 计算结果分析第38-45页
    3.6 本章小结第45-47页
4 簧片减振器疲劳寿命分析第47-65页
    4.1 引言第47页
    4.2 疲劳寿命计算相关理论第47-51页
        4.2.1 疲劳及疲劳寿命第47页
        4.2.2 疲劳分析方法第47-49页
        4.2.3 材料的 S-N 曲线第49-50页
        4.2.4 载荷谱的处理及方法第50页
        4.2.5 疲劳累积损伤理论第50-51页
    4.3 簧片减振器有限元静力分析第51-54页
        4.3.1 静力分析模型第51-52页
        4.3.2 静力分析结果第52-54页
    4.4 簧片减振器疲劳寿命分析第54-61页
        4.4.1 FE-SAFE 软件第54-56页
        4.4.2 簧片减振器疲劳分析流程第56页
        4.4.3 求解 S-N 曲线第56-58页
        4.4.4 计算减振器疲劳载荷谱第58-59页
        4.4.5 疲劳寿命计算第59-61页
    4.5 簧片减振器疲劳寿命影响因素第61-63页
        4.5.1 载荷的影响第61-62页
        4.5.2 粗糙度的影响第62页
        4.5.3 残余应力的影响第62-63页
    4.6 本章小结第63-65页
5 结论与展望第65-67页
    5.1 结论第65页
    5.2 展望第65-67页
致谢第67-69页
参考文献第69-73页
附录第73页
    A. 作者在攻读学位期间参与的科研项目第73页
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