陳淵釗,吳文軍
(廣西科技大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院工程力學(xué)系,廣西 柳州 545006)
無軸輪緣驅(qū)動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是環(huán)形導(dǎo)管和無軸螺旋槳[1],可通過轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)形導(dǎo)管,帶動(dòng)安裝在導(dǎo)管內(nèi)壁的葉片旋轉(zhuǎn),不需要使用輪轂,不存在“軸”。這種“無軸”特征使此類結(jié)構(gòu)在減振降噪上有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),對(duì)提高潛水艇的隱蔽性具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
由于螺旋槳具有較大的細(xì)長(zhǎng)比,環(huán)形導(dǎo)管-螺旋槳可簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)剛環(huán)-柔性梁系統(tǒng)進(jìn)行研究,其實(shí)質(zhì)是一類剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),這類系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的建模方法是柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的浮動(dòng)坐標(biāo)系法。該方法利用浮動(dòng)坐標(biāo)系來描述構(gòu)件的彈性變形,并認(rèn)為構(gòu)件的位形是浮動(dòng)坐標(biāo)系的大范圍運(yùn)動(dòng)與彈性變形的疊加,由此來表達(dá)大范圍運(yùn)動(dòng)和彈性變形之間的耦合關(guān)系。在耦合關(guān)系中還需要考慮梁彎曲導(dǎo)致的軸向縮短量。根據(jù)計(jì)算耦合縮短量不同的程度,浮動(dòng)坐標(biāo)系法可建立零次剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型[2]、一次剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型[3-5]和高次剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型[6]。
浮動(dòng)坐標(biāo)系法常用于研究中心剛體-柔性梁系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制問題。文獻(xiàn)[7-11]將一次近似耦合模型應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)梁、旋轉(zhuǎn)板的自由振動(dòng)分析,詳細(xì)討論了轉(zhuǎn)速、集中質(zhì)量、復(fù)合材料的相關(guān)參數(shù)、橫向和軸向變形之間的耦合等因素對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響,并指出這類系統(tǒng)隨著角速度的增大會(huì)產(chǎn)生頻率跡線轉(zhuǎn)向和振型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。和興鎖等[12]通過進(jìn)一步計(jì)入軸向變形對(duì)橫向變形的影響,提出了一種更完備的柔性梁一次近似耦合模型。Li 等[13-14]和吳根勇等[15]分別將一次近似耦合模型應(yīng)用于研究旋轉(zhuǎn)功能梯度梁(板)和復(fù)合材料板的自由振動(dòng)問題。方建士等[16-17]討論了橫向和軸向變形之間的耦合對(duì)旋轉(zhuǎn)柔性梁頻率跡線轉(zhuǎn)向的影響,并引入了尺度效應(yīng)進(jìn)行研究。高晨彤等[18]建立了旋轉(zhuǎn)功能梯度梁基于傾角坐標(biāo)的一次剛?cè)狁詈夏P?,并考慮剪切變形的影響,分析了楔形比和材料梯度分布規(guī)律對(duì)頻率特性的影響。范紀(jì)華等[19]研究了溫度作用下的旋轉(zhuǎn)功能梯度梁的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。為滿足任意形狀梁結(jié)構(gòu)的離散需求,范紀(jì)華等[19-21]和杜超凡等[22-23]分別采用計(jì)算幾何方法和無網(wǎng)格法離散旋轉(zhuǎn)柔性梁,并獲得了良好的數(shù)值結(jié)果。文獻(xiàn)[24-25]建立了帶集中質(zhì)量的功能梯度梁的高次耦合模型,并對(duì)該結(jié)構(gòu)在溫度場(chǎng)中的自由振動(dòng)和振動(dòng)控制展開了深入研究。
上述的中心剛體-柔性梁系統(tǒng),其“柔性梁”是外接于中心剛體上,離心力屬于“拉力”。與之不同,無軸輪緣驅(qū)動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的“柔性梁”內(nèi)接于“剛環(huán)”內(nèi)壁,離心力屬于“壓力”,在“壓力”較大時(shí),壓桿易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。因此,旋轉(zhuǎn)剛環(huán)-柔性梁系統(tǒng)的研究更為關(guān)注梁結(jié)構(gòu)的屈曲和穩(wěn)定性。Mostaghel 等[26]基于結(jié)構(gòu)力學(xué)建立了旋轉(zhuǎn)內(nèi)接柔性梁(板)的離心力與變形之間的關(guān)系,給出了徑長(zhǎng)比與臨界失穩(wěn)轉(zhuǎn)速的關(guān)系式。Wang[27]研究了旋轉(zhuǎn)內(nèi)接柔性梁的安裝角對(duì)臨界失穩(wěn)轉(zhuǎn)速的影響。William 等[28]討論了旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)屈曲和平面外屈曲的臨界失穩(wěn)轉(zhuǎn)速。Yu等[29]結(jié)合伽遼金法和牛頓線性化方法,給出了勻速旋轉(zhuǎn)環(huán)-內(nèi)懸臂梁系統(tǒng)振動(dòng)的解析解。方建士等[30]建立了內(nèi)懸臂梁系統(tǒng)的一次剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,分析了系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速和徑長(zhǎng)比參數(shù)下的穩(wěn)定性。
值得注意的是,在系統(tǒng)勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)重力與梁之間的夾角產(chǎn)生周期性的變化,從而使得重力周期性地激勵(lì)內(nèi)懸臂梁。若旋轉(zhuǎn)角速度令重力激勵(lì)的頻率接近系統(tǒng)的固有頻率,則會(huì)產(chǎn)生共振問題,易使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。然而,目前關(guān)于旋轉(zhuǎn)剛環(huán)-柔性梁系統(tǒng)共振轉(zhuǎn)速的研究鮮有報(bào)道。
本文基于浮動(dòng)坐標(biāo)系法,結(jié)合梁由于彎曲而產(chǎn)生的軸向縮短量,采用有限元法建立旋轉(zhuǎn)內(nèi)接柔性梁的一次剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,以此來研究旋轉(zhuǎn)內(nèi)接柔性梁的共振轉(zhuǎn)速區(qū)間和動(dòng)力學(xué)行為,以期為無軸螺旋槳結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。
本文將環(huán)形導(dǎo)管和無軸螺旋槳簡(jiǎn)化為剛環(huán)-懸臂梁系統(tǒng),如圖1(a)所示。剛環(huán)-內(nèi)接懸臂梁始終在豎直平面上繞圓心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),剛環(huán)角速度為Ω,半徑為R,在圓心O建立慣性坐標(biāo)系O?XY和浮動(dòng)坐標(biāo)系O?X1Y1,兩坐標(biāo)系的夾角為θ,如圖1(a)所示。其中,浮動(dòng)坐標(biāo)系O?X1Y1固聯(lián)在懸臂梁上,用以描述懸臂梁的變形位移。鑒于無軸螺旋槳一般在鉛垂面上運(yùn)動(dòng),因此本文僅討論剛環(huán)-懸臂梁系統(tǒng)的平面運(yùn)動(dòng),采用平面Euler-Bermoulli 梁模型進(jìn)行研究。如圖1(b)所示,梁上任意一點(diǎn)P的橫向變形為w。
圖1 剛環(huán)-柔性梁系統(tǒng)及變形Fig.1 System and deformation of steel ring-flexible beam
如圖2所示,沿梁中軸線的微元M0N0,其端點(diǎn)在浮動(dòng)坐標(biāo)系上的坐標(biāo)分別為M0(ξ,0)和N0(ξ+dξ,0)。微元變形后記為MN,其長(zhǎng)度為:
圖2 梁的變形位移描述Fig.2 Description of deformation displacement of beam
式中 下標(biāo)“,ξ”表示對(duì)弧長(zhǎng)坐標(biāo)ξ求一次導(dǎo)數(shù)。
將式(1)進(jìn)行泰勒展開,鑒于軸向變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于橫向變形,忽略w,ξ的三次以上高階項(xiàng),忽略u(píng)0,ξ的兩次以上高階項(xiàng),有:
對(duì)式(2)積分可得到變形后的梁長(zhǎng)度為:
式中v為梁的實(shí)際軸向變形量,表示為:
其中,u0主要由梁的伸縮產(chǎn)生,在剛環(huán)-懸臂梁系統(tǒng)中,梁所能產(chǎn)生的伸縮非常小,可忽略不計(jì)。u1為彎曲產(chǎn)生的軸向變形:
柔性梁的應(yīng)變能為:
式中E和I分別為柔性梁的彈性模量和截面慣性矩;L為梁的長(zhǎng)度。
此外,柔性梁做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),在小變形情況下,可認(rèn)為其離心慣性力作用于中軸線上。根據(jù)式(5),橫向變形勢(shì)必會(huì)引起軸向長(zhǎng)度的縮短。這樣的縮短使離心力沿著軸向產(chǎn)生了移動(dòng),從而使整個(gè)系統(tǒng)需要考慮離心力對(duì)系統(tǒng)做的功。梁上的某個(gè)微元的離心力可表示為:
式中ρ和A分別為梁的質(zhì)量密度和橫截面積。
離心力做的功可表示為:
系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)時(shí),梁所受重力會(huì)產(chǎn)生周期性變化。梁上微元的重力可表示為:
這里假定初始時(shí)刻慣性坐標(biāo)系O?XY和坐標(biāo)系O?X1Y1重合。梁重力做的虛功可表示為:
梁上任意一點(diǎn)P的速度可表示為:
式中Ω為剛環(huán)-懸臂梁系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。
這樣可得到系統(tǒng)的動(dòng)能為:
采用有限元法來離散柔性梁,梁上任意一點(diǎn)的變形可表示為:
其中
式中l(wèi)為梁?jiǎn)卧L(zhǎng)度;下標(biāo)“,x”表示對(duì)弧長(zhǎng)坐標(biāo)x求一次導(dǎo)數(shù),下標(biāo)i表示單元結(jié)點(diǎn)的編號(hào)。
可推導(dǎo)得到旋轉(zhuǎn)內(nèi)接柔性梁的動(dòng)力學(xué)方程:
其中
式中F1和Fg分別為離心廣義力和重力廣義力。
由于離心力廣義力和彈性廣義力可以表達(dá)成一項(xiàng),因此動(dòng)力學(xué)方程(17)中未直接看到離心力廣義力,而是體現(xiàn)在剛度陣(19)的單下劃線項(xiàng)中。
若記q=z,并忽略重力的影響,動(dòng)力學(xué)方程改寫為:
方程的解可表示為z=Zejωt,可推導(dǎo)得到系統(tǒng)的頻率特征方程:
式中ω為圓頻率。
表1給出了剛環(huán)-柔性梁系統(tǒng)的參數(shù),根據(jù)這些參數(shù),可計(jì)算得到梁的頻率和模態(tài)。為更好地與文獻(xiàn)[26]數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,引入無量綱參數(shù):
表1 剛環(huán)?柔性梁系統(tǒng)的參數(shù)Tab.1 Parameters of system of steel ring?flexible beam
式中δ,γ和分別為系統(tǒng)的徑長(zhǎng)比、無量綱轉(zhuǎn)速和無量綱頻率。
表2給出了柔性梁在無量綱轉(zhuǎn)速分別為0,1,2,3 時(shí)的前兩階無量綱頻率,對(duì)應(yīng)的徑長(zhǎng)比δ=1??梢钥闯?,在這四個(gè)轉(zhuǎn)速下,本文模型分別采用5,10,20 個(gè)單元計(jì)算,ANSYS 采用100 個(gè)beam188 單元,兩種方法計(jì)算得到的無量綱頻率幾乎完全吻合,可驗(yàn)證本文所建立的內(nèi)接懸臂梁動(dòng)力學(xué)模型的正確性,也說明本文所采用的梁?jiǎn)卧哂袃?yōu)良的收斂性。此外,注意到在無量綱轉(zhuǎn)速為3 時(shí),兩種方法得到的第一階無量綱頻率均等于0。當(dāng)頻率等于0 時(shí),意味著結(jié)構(gòu)處于失穩(wěn)狀態(tài),也就是說,在無量綱轉(zhuǎn)速為3時(shí),內(nèi)接旋轉(zhuǎn)懸臂梁會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。
表2 不同轉(zhuǎn)速下的固有頻率(δ=1)Tab.2 Natural frequencies at different speeds(δ=1)
圖3給出前兩階無量綱頻率隨無量綱轉(zhuǎn)速變化規(guī)律,對(duì)應(yīng)的徑長(zhǎng)比仍為δ=1。可以看出,無論是第一階還是第二階無量綱頻率,均隨著無量綱轉(zhuǎn)速的增大而逐漸減小。如第一階無量綱頻率在無量綱轉(zhuǎn)速為零時(shí)約為3.5,然后隨著無量綱轉(zhuǎn)速的增大開始減小,在無量綱轉(zhuǎn)速為3 時(shí),第一階無量綱頻率剛好等于0,達(dá)到了失穩(wěn)的臨界值,因此無量綱轉(zhuǎn)速為3 時(shí)正好是內(nèi)接旋轉(zhuǎn)懸臂梁的失穩(wěn)臨界轉(zhuǎn)速。類似地,第二階無量綱頻率在無量綱轉(zhuǎn)速約為12.2 時(shí)等于0,但比第一階無量綱頻率的失穩(wěn)臨界無量綱轉(zhuǎn)速大得多,在無量綱轉(zhuǎn)速未達(dá)到12.2 但大于3 時(shí),梁已經(jīng)失穩(wěn)。因此,本文僅討論第一階無量綱頻率所對(duì)應(yīng)的臨界失穩(wěn)無量綱轉(zhuǎn)速以及共振無量綱轉(zhuǎn)速。
圖3 前兩階無量綱頻率Fig.3 Dimensionless frequencies of the first two orders
圖3僅分析了徑長(zhǎng)比δ=1 時(shí)的臨界無量綱轉(zhuǎn)速,而徑長(zhǎng)比對(duì)臨界無量綱轉(zhuǎn)速有較大影響。圖4比較了徑長(zhǎng)比為1,2,3,4 時(shí)的第一階無量綱頻率隨無量綱轉(zhuǎn)速的變化曲線。不難發(fā)現(xiàn),徑長(zhǎng)比為1 時(shí)的臨界無量綱轉(zhuǎn)速約為3;徑長(zhǎng)比為2 時(shí)的臨界無量綱轉(zhuǎn)速約為2.1;徑長(zhǎng)比為3 時(shí)的臨界無量綱轉(zhuǎn)速約為1.6;徑長(zhǎng)比為4 時(shí)的臨界無量綱轉(zhuǎn)速約為1.45??梢钥偨Y(jié)出這樣一個(gè)規(guī)律:徑長(zhǎng)比越大,第一階無量綱頻率隨無量綱轉(zhuǎn)速增加而減小的幅度越大,減小至0(失穩(wěn))的“速度”也越快,對(duì)應(yīng)的失穩(wěn)臨界轉(zhuǎn)速也就越小。這是因?yàn)閺介L(zhǎng)比越大、無量綱轉(zhuǎn)速越大,柔性梁的離心力也就越大,柔性梁受壓的程度也就越強(qiáng),對(duì)應(yīng)的頻率就下降得越快。
圖4 不同徑長(zhǎng)比的頻率變化曲線Fig.4 Variation curves of the frequencies with different δ
圖5給出了臨界失穩(wěn)無量綱轉(zhuǎn)速隨徑長(zhǎng)比的變化曲線。在文獻(xiàn)[26]也給出了徑長(zhǎng)比與臨界失穩(wěn)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式,為γ2=72/(9δ?1)??梢钥吹?,本文的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[26]所給出的關(guān)系式結(jié)果基本吻合,僅在徑長(zhǎng)比小于0.3 以后略有差異,造成這樣細(xì)微差異的主要原因可能是本文與文獻(xiàn)[26]在動(dòng)力學(xué)建模方法上存在差異,但數(shù)值結(jié)果整體上基本一致,可說明本文模型的正確性。
圖5 臨界失穩(wěn)轉(zhuǎn)速隨徑長(zhǎng)比的變化曲線Fig.5 Variation curves of critical instability speed with δ
目前,關(guān)于旋轉(zhuǎn)內(nèi)接懸臂梁的研究大多集中在分析其失穩(wěn)臨界轉(zhuǎn)速上,但事實(shí)上,內(nèi)接旋轉(zhuǎn)懸臂梁還可能面臨共振問題。如圖6所示,無量綱轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率直線=γ從0 開始增大;而梁的第一階無量綱頻率均從3.5 開始減小。因此,直線與第一階無量綱頻率曲線必定會(huì)有交點(diǎn),而這個(gè)交點(diǎn)代表著無量綱轉(zhuǎn)速等于第一階無量綱頻率,意味著轉(zhuǎn)動(dòng)很可能會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。那么,在這個(gè)共振點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的無量綱轉(zhuǎn)速,可稱之為共振轉(zhuǎn)速。可以看出,不同的徑長(zhǎng)比有不同的共振轉(zhuǎn)速:徑長(zhǎng)比為1 的系統(tǒng),交叉點(diǎn)為γ=2.27;徑長(zhǎng)比為2 的系統(tǒng),交叉點(diǎn)為γ=1.77;徑長(zhǎng)比為3 的系統(tǒng),交叉點(diǎn)為γ=1.50;徑長(zhǎng)比為4 的系統(tǒng),交叉點(diǎn)為γ=1.32。從圖6中也容易看出,共振轉(zhuǎn)速顯然比失穩(wěn)轉(zhuǎn)速要小得多。
圖6 共振轉(zhuǎn)速Fig.6 Resonance speed
圖7給出了共振轉(zhuǎn)速隨徑長(zhǎng)比的變化曲線。不難發(fā)現(xiàn),徑長(zhǎng)比越大,共振轉(zhuǎn)速就越低。此外,此共振轉(zhuǎn)速曲線通過曲線擬合,得到以下經(jīng)驗(yàn)公式:
圖7 共振轉(zhuǎn)速隨徑長(zhǎng)比的變化曲線Fig.7 Variation curves of resonance speed with δ
經(jīng)驗(yàn)公式與數(shù)值結(jié)果吻合度較好,可直接用于相關(guān)結(jié)構(gòu)共振轉(zhuǎn)速的測(cè)算。
圖8給出了在無量綱轉(zhuǎn)速分別為2.1775,2.2775,2.3775,3 下的梁末端變形,梁的徑長(zhǎng)比為1,對(duì)應(yīng)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角速度分別約為70.04,73.5,76.49和96.82 rad/s。此時(shí)梁的共振無量綱轉(zhuǎn)速和失穩(wěn)無量綱轉(zhuǎn)速分別為2.2775 和3。
圖8 不同轉(zhuǎn)速下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)Fig.8 Dynamic responses with different speeds
在無量綱轉(zhuǎn)速與共振無量綱轉(zhuǎn)速比較接近時(shí),如圖8(a)和(c)所示,無量綱轉(zhuǎn)速分別略小于和略大于共振轉(zhuǎn)速(γ=2.1775 和2.2775),梁振動(dòng)的振幅時(shí)而變大,時(shí)而變小,產(chǎn)生拍振現(xiàn)象。這是因?yàn)榇藭r(shí)梁的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)是梁自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)的疊加,而在梁自由振動(dòng)的固有頻率和受迫振動(dòng)的激勵(lì)頻率相差不大的情況下,即可出現(xiàn)拍振。換句話說,在產(chǎn)生拍振的轉(zhuǎn)速附近,可能存在共振轉(zhuǎn)速。
在無量綱轉(zhuǎn)速等于共振轉(zhuǎn)速時(shí)(γ=2.2775),如圖8(b)所示,梁末端變形的振幅隨著時(shí)間的增大而逐漸增大。圖9是對(duì)應(yīng)的相圖,可看到變形不斷增大、變形的速度也不停地增加,出現(xiàn)劇烈的振蕩,即產(chǎn)生了共振現(xiàn)象;在無量綱轉(zhuǎn)速等于失穩(wěn)轉(zhuǎn)速時(shí)(γ=3),如圖8(d)所示,梁的末端變形隨時(shí)間迅速增大,產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。
圖9 共振時(shí)的相圖Fig.9 Time phase diagram under resonance
若將圖8(b)的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行傅里葉變換,并歸一化,可得到圖10所示的位移幅頻曲線??梢钥吹剑灰品l曲線的峰值出現(xiàn)在2.25,在共振轉(zhuǎn)速2.27 附近??蓪⒄穹陆抵疗浞逯档?/ 2 倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻段定義為共振區(qū),那么此時(shí)系統(tǒng)的共振區(qū)為2.20 至2.36,即圖10中的紅色區(qū)域。根據(jù)圖8的分析,系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)避開共振區(qū)轉(zhuǎn)速,并小于失穩(wěn)轉(zhuǎn)速,否則系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)位移共振或者失穩(wěn)現(xiàn)象。因此,γ<2.20 和2.36<γ<3 是剛環(huán)-柔性梁系統(tǒng)可正常工作的轉(zhuǎn)速區(qū)間。
圖10 幅頻曲線Fig.10 Curve of amplitude-frequency
本文基于浮動(dòng)坐標(biāo)系法,結(jié)合梁由于彎曲而產(chǎn)生的軸向縮短量,根據(jù)有限元法建立旋轉(zhuǎn)內(nèi)接柔性梁的一次剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,以此來研究旋轉(zhuǎn)內(nèi)接柔性梁的共振轉(zhuǎn)速區(qū)間和動(dòng)力學(xué)行為,以期為無軸螺旋槳結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。研究表明:
1)系統(tǒng)存在比臨界失穩(wěn)轉(zhuǎn)速小的共振轉(zhuǎn)速,共振轉(zhuǎn)速下的重力周期性變化頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近,使梁的振動(dòng)幅值越來越大,形成共振。
2)徑長(zhǎng)比越大,共振轉(zhuǎn)速越小。
3)系統(tǒng)在徑長(zhǎng)比為1 時(shí),共振轉(zhuǎn)速區(qū)間為2.20~2.36,若轉(zhuǎn)速接近共振轉(zhuǎn)速區(qū)間附近,則柔性梁的振幅時(shí)而變大,時(shí)而變小,會(huì)出現(xiàn)拍振現(xiàn)象。