轻质高速复合材料传动轴转子系统非线性振动与材料内阻失稳

The dynamic stability and nonlinear vibration of composite drive shaft (CDS) rotor system operated in the supercritical range are an urgent problem in developments of advaced helicopter and automotive. So far, no complete framework for the theoretical research on nonlinear vibration and dynamic instability due to internal damping of CDS rotor system has been constructed. The project is aimed at the CDS rotor system with geometric nonlinear, the research objectives are to gain an insight into the effects of composite internal damping on the dynamic behavior of CDS rotor system and develop the scientific method of predicting destabilizations induced by internal damping. On the basis of advanced nonlinear structural theory of composite thin-walled beam, nonlinear vibration theory and micro composite damping mechanical model, the key issues under consideration in the project are :.1.Accurate prediction of model damping, instability thresholds and nonlinear vibration response of CDS rotor system by means of the analytical technologies presented by the project, which includes model reducing, eigenvalue analysis, time/frequency methods and miro mechanical evaluation theory for composite internal damping..2.The effects of stacking sequence, miro mechanical characteristics, sandwich, temperature and frequency on the stability and nonlinear dynamic behaviour of CDS rotor system..The project will present scientific characterizations and evaluation techniques for the nonlinear vibration and destabilizing mechanism induced by internal damping, in order to serve as the basis for the future dynamic stability design and nonlinear vibration control of CDS rotor system.

复合材料传动轴（CDS）转子系统在超临界转速下的动力稳定性与非线性振动是发展现代直升机、汽车亟待解决的问题。迄今为止，国内外尚未就CDS转子系统的非线性振动及其内阻失稳机理，提出完整的理论研究体系。本项目拟针对几何非线性CDS转子系统，以揭示复合材料内阻对CDS转子系统动力学行为的影响，建立科学的复合材料内阻失稳预测方法为目标，以先进复合材料薄壁结构非线性理论、非线性振动理论以及细观阻尼理论等学科方法为指导，重点就CDS转子系统模态阻尼、失稳阈、非线性振动响应建模和模型缩聚技术、特征值技术、时/频域算法、复合材料内阻细观估计原理，以及叠层方式、细观特征、温度和频率、含夹层等重要因素对CDS转子系统稳定性与非线性动力学行为的影响，进行系统的研究；针对CDS转子系统非线性振动内阻失稳理论体系，提出科学完整表征方法与评价技术，为最终实现CDS转子系统的动力稳定设计与非线性振动控制，奠定基础。

高速旋转复合材料轴在材料内阻影响下的运动失稳与非线性振动，是现代先进直升机和汽车传动轴设计亟待解决的问题。本项目分别基于经典变分渐进（VAM）复合材料薄壁梁理论和改进的VAM复合材料薄壁梁理论，采用多尺度阻尼建模法，导出具有材料内阻的旋转复合材料薄壁轴动力学方程；基于复合材料应力-应变、应变-位移关系和粘弹性Kelvin-Voigt模型，提出具有材料内阻的旋转复合材料Bernoulli-Euler轴动力学模型；采用三维复合材料应力-应变、阻尼层应力-应变和应变-位移关系，建立具有约束层阻尼旋转复合材料Timoshenko轴动力学方程；基于经典VAM复合材料薄壁梁理论，建立具有Von Kármán几何非线性和材料内阻的旋转复合材料轴转子动力学模型；基于不可伸长假定和粘弹性Kelvin-Voigt模型，提出具有材料内阻的复合材料转子非线性振动方程；针对降阶动力学模型，采用特征值方法和时域积分估计旋转复合材料轴的内阻失稳特性和参数影响；采用数值积分和多尺度法研究自由振动以及偏心激励受迫振动和主共振，获得自由振动和正、反进动非线性固有频率以及主共振摄动解；研究发现，旋转复合材料轴的动力学稳定性与复合材料内阻成反比，后者与铺层角、铺层方式、长径比密切相关；材料内阻增加使失稳阈降低；亚临界下的材料内阻抑制振动；超临界下的材料内阻激发振动，由于结构非线性限制，自激振动趋于极限环振荡；由于材料内阻和结构非线性，非线性固有频率依赖振幅和时间；由于陀螺效应，非线性固有频率-转速曲线出现分叉；亚临界下的非线性固有频率随时间趋于线性固有频率，超临界下的非线性固有频率随时间趋于无穷；铺层角、铺层方式、长径比决定非线性固有频率变化特征；受迫振动包含丰富的非线性动力学行为，如主共振稳态响应呈现多值、跳跃和分叉现象，偏心距或者转速的增加导致时域响应出现单倍周期运动→概周期运动→混沌运动→概周期运动→单倍周期运动；铺层角、铺层方式、长径比、偏心距、外阻和转速影响系统的动力学响应的特征；材料内阻抑制主共振响应振幅，改变稳态响应稳定性。上述研究成果将为高速复合材料传动轴的动力学稳定性设计与非线性振动控制，提供理论参考。