Чисельне дослідження динаміки трансмісійних валів у режимах руху при зміні швидкості обертання

Заголовок (англійською):

Numerical study of transmission shafts dynamics in motion modes when the rotation speed changes

Автор(и):

Лізунов П. П

Недін В. О.

Автор(и) (англ):

Lizunov P. Nedin V.

Ключові слова (укр):

трансмісійний вал; інерційні навантаження; динамічна стійкість; чисельне диференціювання; змінна швидкість обертання

Ключові слова (англ):

transmission shaft; inertia forces; dynamic stability; numeric differentiation; rotation speeds

Анотація (укр):

У роботі наведено результати чисельного дослідження динамічної поведінки трансмісійного вала в режимах руху зі зміною швидкості його обертання. Такі режими руху виникають при експлуатації трансмісійних валів, що передають крутний момент від двигуна до виконавчого пристрою. Цей процес може супроводжуватися вібрацією валів зі зміною частоти та амплітуди коливань. У зв’язку з цим актуальним є питання вивчення динамічної поведінки таких систем під час руху зі зміною швидкості обертання. Дослідження здійснено з використанням розробленого програмного забезпечення, в якому реалізована методика комп’ютерного моделювання коливального руху стержнів, що обертаються, під дією інерційних навантажень. Таке програмне забезпечення уможливлює моделювати коливальний рух валів, а також визначати параметри, за яких може відбутися втрата динамічної стійкості змодельованої системи. За допомогою зазначеного програмного забезпечення побудовано графіки коливального руху стержня, яким моделюється робота трансмісійного вала, при заданих параметрах системи. Процес коливального руху вала розглянуто в просторі. Коливальний рух при обертанні описано системою диференціальних рівнянь у рухомій системі координат, що обертається разом із валом, а графіки коливального руху наведено в інерційній системі координат. Показано, що під час збільшення швидкості обертання протягом часу прискорення коливання відбуваються із суттєво більшою частотою, ніж при обертанні зі сталою швидкістю. Також показано, що при цьому може відбуватися збільшення амплітуди коливань. Після встановлення сталої швидкості обертання частота коливань, як відображено на графіках, зменшується. Таке збільшення частоти коливань під час прискорення може призвести до небажаних наслідків руйнівного характеру.

Анотація (англ):

Thin-walled structures, the elements of which are plates and shells made of composite materials, are increasingly used in various industries. The growing needs of practice and the introduction of new composite materials require further improvement of the calculation methods of shell structures of inhomogeneous structure. Therefore, the problem of developing an adequate method of analyzing the behavior of shells made of composite materials with a multilayer structure is relevant. The work is devoted to the application of the developed method of finite elements for the analysis of geometrically nonlinear deformation and stability of elastic shells to the problem of the study of shells, the layer materials of which are composites of a fibrous structure. The method of structuring materials through the shell thickness and plan by using a universal 3D finite element is applied to model the thermoelastic properties of a ingomogeneous material. Determination of the effective characteristics of the composite material is realized by the structural micromechanical parameters of its components based on known methods of predicting elastic constants for this model of the composite material. The multilayer finite element, created within the framework of the developed approach, can be exploited to the problems of calculating thin elastic shells from both traditional and composite materials. The results of investigation of a multilayer composite panel using various micromechanical techniques are presented. The results of the study of a multilayer composite panel obtained by various micromechanical methods are given. These results are consistent with those obtained using the NASTRAN software. The new modification of the developed finite element makes it possible to analyze the stress-strain state and stability of multi-layer shells made of fibrous composite materials reliably, with accuracy acceptable for engineering calculations.

Публікатор:

Київський національний університет будівництва і архітектури

Мова статті:

Українська

Формат документа:

application/pdf

Документ:

117-122.pdf

Дата публікації:

29 Ноябрь 2023

Номер збірника:

Розділ:

ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ПРОЄКТУВАННЯ

Університет автора:

Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ

Литература:

1. Баженов В. А., Погорелова О. С., Постнікова Т. Г. Хаос та сценарії переходу до хаосу у віброударній системі. Київ: Вид-во «Каравела», 2019. 146 с.

2. Диментберг Ф. М. Изгибные колебания вращающихся валов. Москва: Изд-во АН СССР, 1959. 247 с.

3. Лізунов П. П., Недін В. О. Вплив гіроскопічних сил на коливальний рух валів при обертанні. Опір матеріалів і теорія споруд. 2020. Вип. 105. С. 223 – 231

4. Лізунов П. П., Недін В. О. Параметричні коливання пружних стержнів, що обертаються, під дією періодичних поздовжніх сил. Управління розвитком складних систем. 2021. № 44. С. 56 – 64.

5. Недін В. О. Чисельне диференціювання складних форм вигину стержнів значної довжини при обертанні. Управління розвитком складних систем. 2020. № 43. С. 110–115.

6. Boukhalfa A., Hadjoui A., and Hamza Cherif S. M. (2008). Free Vibration Analysis of a Rotating Composite Shaft Using the p-Version of the Finite Element Method. International Journal of Rotating Machinery. Article ID 752062, doi:10.1155/2008/752062

7. Chang Tan. A Study of Shaft Vibration Based on Transfer Matrix / Chang Tan, Zhi Ling Guo, Rui Kun Zhou. Applied Mechanics and Materials. 2013. Volumes 365-366. P. 339-343. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.365-366.339.

8. Cong Zhang. Analytical analysis of the vibration of propulsion shaft under hull deformation excitations / Cong Zhang, Zhe Tian, Xinping Yan. Journal of Vibroengineering, Vol. 18, Issue 1, 2016, p. 44-55.

9. Maurice Petyt. Introduction to Finite Element Vibration Analysis. Cambridge University Press, 1990. – 558 p.

10. Sanjiv Kumar. Vibrations signature analysis of whirling shaft of varying diameters operated at varying speeds / Sanjiv Kumar, Rakesh Sehgal, Sanpreet Singh. Journal of Physics: Conf. Series 1240 (2019). doi:10.1088/1742-6596/1240/1/012155.

11. Yimin Wei. Influence of Axial Loads to Propagation Characteristics of the Elastic Wave in a Non Uniform Shaft / Yimin Wei, Zhiwei Zhao, Wenhua Chen and Qi Liu. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2019 No. 32:70. P.13.

References:

1. Bazhenov, V. A., Pohorelova, O. S., Postnikova, T. G. (2019). Chaos and scenarios to chaos transition in a vibroimpact system. Kyiv: Vyd-vo «Karavela», 146. [In Russian]

2. Dimentberg, F. M., (1959). Flexural vibrations of rotating shafts. Moscow: Publishing of AS USSR, 247. [In Russian]

3. Lizunov, P. P., Nedin, V. O. (2020). The gyroscopic forces influence on the oscillations of the rotating shafts. Strength of materials and theory of structures, 105, 223–231.

4. Lizunov, Petro, Nedin, Valentyn. (2021). The parametric oscillations of rotating elastic rods under the action of the periodic axial forces. Management of Development of Complex Systems, 44, 56–64.

5. Nedin, Valentyn, (2020). Numerical differentiation of complex bend forms of long rotating rods. Management of Development of Complex Systems, 43, 110–115. [in Ukrainian]

7. Chang, Tan, Zhi, Ling Guo, Rui, Kun Zhou. (2013). A Study of Shaft Vibration Based on Transfer Matrix. Applied Mechanics and Materials, 365–366, 339–343.

8. Cong, Zhang, Zhe, Tian, Xinping, Yan. (2016). Analytical analysis of the vibration of propulsion shaft under hull deformation excitations. Journal of Vibroengineering, 18, 1, 44-55.

9. Petyt, Maurice. (1990). Introduction to Finite Element Vibration Analysis. Cambridge University Press, 558.

10. Kumar, Sanjiv, Sehgal, Rakesh, Singh, Sanpreet. (2019). Vibrations signature analysis of whirling shaft of varying diameters operated at varying speeds. Journal of Physics: Conf. Series, 1240.

11. Yimin, Wei, Zhiwei, Zhao, Wenhua, Chen, Qi, Liu. (2019). Influence of Axial Loads to Propagation Characteristics of the Elastic Wave in a Non Uniform Shaft. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 32:70, 13