摘 要

机械传动轴是一个重要的运动部件，在动力传递中，起到最主要的桥梁作用。机械传动轴在实际运行过程中，不但受到相应的约束，还要经受复杂运行环境对轴自身的影响，其轴的设计优劣对于整个机械设备来讲，是重中之重。通过模态分析方法可以清楚了解结构在某一个易受影响的频率范围内，各阶主要模态的特性，从而可以预知结构在此频段内，在外部或内部各种振源作用下实际振动响应, 而且一旦通过模态分析知道模态参数并给予验证，就可以把这些参数用于设计过程，优化系统动态特性。因此进行“某机械传动轴模态分析与试验研究”具有一定的理论意义和实际应用价值。

论文运用Pro/Engineer三维建模软件对机械传动轴进行三维建模，模拟机械传动轴中出现不明裂纹的三种现象。通过导入ANSYS软件对机械传动轴进行有限元模态分析，得到多阶固有频率以及相应的振型图。并使用相同规格并完好的实体机械传动轴，在模态分析软件中进行相关试验，得到各阶次固有频率和相应振型图的试验值。将各组数据进行比较，分析裂纹的产生、位置、厚度，三个方面对机械传动轴固有频率以及最大形变的影响。研究结论对机械传动轴的优化研究设计提供了理论依据。

关键词： 机械传动轴；模态分析；固有频率；振型图；裂纹

Abstract

Mechanical transmission shaft is an important moving part, which plays the most important role of bridge in power transmission. In the actual operation process of the mechanical transmission shaft, it is not only subject to the corresponding constraints, but also subject to the influence of the complex operating environment on the shaft itself. By modal analysis method can clearly understand the structure at a certain frequency range of susceptible, all orders of main modal characteristics, which could predict structure within this band, the external or internal actual vibration response under the action of the various source and once know modal parameters by modal analysis and validation, these parameters can be used in the design process, optimize the system dynamic characteristics. Therefore, it has certain theoretical significance and practical application value to carry out "modal analysis and experimental research on a mechanical shaft".

This paper uses Pro/Engineer 3D modeling software to conduct 3D modeling of mechanical shaft and simulate three phenomena of unidentified cracks in mechanical shaft. The finite element modal analysis of mechanical shaft is carried out by introducing ANSYS software, and the multi-order natural frequencies and corresponding vibration patterns are obtained. The mechanical driving shaft of the same specification and in good condition was used to carry out relevant tests in the modal analysis software, and the test values of the natural frequencies of each order and the corresponding vibration pattern were obtained. The data of each group were compared to analyze the influence of crack generation, location and thickness on the natural frequency and maximum deformation of the mechanical shaft. The conclusion provides a theoretical basis for the optimization research and design of mechanical transmission shaft.

Key words: Mechanical Transmission Shaft; Modal Analysis; Natural Frequency; Modal Figure; The Crack

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国外研究现状 2

1.3国内研究现状 3

1.4论文研究目的及意义 3

第二章 有限元模态分析理论基础 4

2.1振动原理 4

2.2边界元法 4

2.3模态分析理论 4

2.4本章小结 6

第三章 机械传动轴模型搭建 7

3.1三维建模方式的选择 7

3.2机械传动轴三维模型的建立 8

第四章 ANSYS中有限元模态分析 12

4.1三维模型导入和材料属性设计 12

4.2机械传动轴网格划分 12

4.3机械传动轴裂纹对比分析研究 14

4.3.1有无裂纹机械传动轴对比分析 15

4.3.2裂纹位置不同机械传动轴对比分析 18

4.3.3裂纹厚度不同机械传动轴对比分析 20

4.4本章小结 22

第五章 机械传动轴模态分析试验 23

5.1实验内容以及原理 23

5.2试验相关仪器以及步骤 23

5.3试验数据分析 24

5.4机械传动轴结构的模态参数 33

5.5试验振型图与仿真结果对比分析 34

5.6本章小结 36

第六章 工作总结与展望 37

6.1全文总结 37

6.2展望 37

参考文献 39

致谢 41

第一章 绪论

1.1研究背景

模态分析作为研究实体机械结构物理动力特性的一种方法，只要有关于物体实体模型的相关动力学分析，就可以根据模态分析来进行相关的研究。而在对模态分析的阐述中，什么是模态呢？所研究对象的本身具备的固有振动特性，就叫做模态。而对于每一个模态，它具有自己的独特性，并且每一个模态都有其所对应的模态参数。常常获取模态参数的途径也较广泛，随着科技的发展，现在出现许许多多的有限元分析软件，只要将模型建立出来，导入之后便可进行有限元计算获得相关参数，或者将设计好的模型做出实体，在导入计算机后，给予相应的激励，对信号进行处理后，得到需要的模态参数。通常，模态分析都是指试验模态分析^[1]。

在众多科学家研究模态分析法之后，根据所研究项目的必要性，在某些频率范围之间，通过此方法可以方便快捷的获得所研究机械结构各个阶次的主要模态的特性。这样当遇到一些极其复杂的模型，就可以通过模态仿真，去预测这个频率范围内，在不同的振源激荡下其实际的振动响应情况。如果拥有机械设备结构，而在安装之前相对于其结构是否合理要进行相关的验证，此时通过模态分析就可以得到相应的模态参数，并知道机械结构设计的合理性，在复杂结构之间相连接的情况之下，均可通过此方法提前对结构性能进行相应的检测。因此,模态分析技术是优化结构动态设计及设备故障诊断的重要方法^[3]。