式中
R(ω2)--------剩余力矩
?Ji?2Ai -------系统第n-1轴段弹性力矩;
i?1n?1 n-----------------系统惯性圆盘数。
3.3 传递矩阵法 3.3.1 基本概念
传递矩阵法把系统分割为一系列具有简单力学特性的元件(两端、三端或多端元件),振动时系统的状态可用各元件的端点状态矢量表示。各个元件两端点间的状态矢量的关系即各元件的动力特性,用该元件的传递矩阵表示。利用个元件的传递矩阵及系统的边界条件,可求得系统的振动特性。
本方法系扭振中Holzer法和梁的弯曲振动中的Myklestad法发展来的。它十分使用于像轴系扭振系统这样的链式系统。由于它具有简单、灵活、易于编程、对计算机内存要求不高、花费机时较短等优点,是轴系振动分析的基本方法,并得到广泛的应用。
3.3.2 状态矢量
系统扭振时的特征可用元件端点的状态矢量表示。元件端点状态矢量是该端点的状态参数(相互有关系的角位移和力矩)所构成的列阵,其定义为
?A? Zi??? (3-11)
?M?i 式中 Zi------端点i的状态矢量; Ai-------端点i的扭转角位移幅值; Mi-------端点i的扭矩幅值。
为简便计,状态矢量有时 还加一上标(L或R),这时下标i表示元件顺序号,上标L表示左端,上标R表示右端。
3.3.3 元件的传递矩阵
1.惯性元件(匀质圆盘元件)
简谐扭振时,匀质圆盘元件左右端的角位移与扭矩有以下关系:
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AR=ML
MR=ML-ALIω2
其矩阵形式为
?A??1 ????2?M????IR0?1???A??? (3-12) ?M?L故惯性元件的传递矩阵
?1 Ti??2???I0? (3-13) ?1? 式中 ω--------简谐振动圆频率; I-------匀质圆盘元件极转动惯量。 2.弹性元件(无质量转动弹簧元件)
简谐振动时,无质量扭转弹簧左右端的角位移与扭矩有以下关系: AR= AL+ ML/K MR= ML 其矩阵表达式为
A??11?A?k?? ?????? (3-14) ??M??01??M?RL可得其传递矩阵
?11k? Tk??? (3-15)
01??式中 k---------弹性元件刚度。
3.3.4 计算步骤
为使以下阐述具有普遍意义,假设系统是一个具有任意分支的多级分支系统。 所谓多级分支系统是指分支上再有分支系统。在分支系统中可首先选定一个主支,对于船舶推进轴系,通常选定主机——螺旋桨为主支。我们定义:与主支上分支点元件连接的分支称Ⅰ级分支,与Ⅰ级分支上分支电元件相连接的分支称Ⅱ级分支,?依次类推直到B级分支。在船舶推进轴系中,所有边界都是自由端。这样,每出现一个分支,将增加一个自由端,因此,包括n个分支的系统,将有n+2个边界
14
条件。
下面讨论具有B级分支的多级分支系统无阻尼固有频率计算步骤。 1.支、元件和端点编号
支的编号从B级支开始,依B-1,B-2,?,Ⅱ,Ⅰ级支顺序进行,主支编号在后。
元件编号按编号顺序,从支的自由端算起,分支点元件编在低级支内。 端点编号顺序,从自由端算起。
2.给出某一试算频率值 3.分支的处理
在扭转振动模型中,分支点元件通常都是惯性元件,这是一个多端元件。其中两端与主支或低级分支相连,其余端点则和高级分支相连。设分支由r个元件组成,并从自由端起依次编号1、2、3、?、r,各元件端点状态矢量与传递矩阵的关系为:
Z1R=T1Z1L
Z2R=T2Z2L=T2T1Z1L
?????.
ZrR=TrZrL=TrTr-1.....T1Z1L 令 T1=Tr1 T2T1=Tr2 ???..
TrTr-1?T2T1=Trr
式中Tri称为第i个元件的累积矩阵,它等于第i个元件到第一个元件传递矩阵依次右乘之积。Trr称为分支的累积矩阵。
分支始端和末端的状态矢量关系可表示为
ZrR?Z1LTrr (3-15) 展开后得
?Tr11Tr12??A??A? ??????M? (3-16) TTM??r?r21?1r22??RL它称为分支的传递方程。
因分支始端为自由端,MrR=0,则
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??????
? (3-17) 得 K??
???r21??RrL1Tr21Tr11RreRreTr21Tr11 MrR是分支作用在分支点元件JK上的扭矩。由上述两式可以看出,分支对JK的作用如同一线性扭转弹簧,弹簧的等效扭转刚度为KE,弹簧的另一端是固定端。
再看分支点元件IK的传递矩阵。已知 AKR=AKL=ArR MkRke2L?MkL?Ik?2AkL?keArL?MkL?(Ik??2)?Ak
R1??A?即 ????Ke2?(I?)?M2k??k??于是得到分支点元件JK的传递矩阵为
0? (3-18) 1??Τ
IB
1?=??(I?KE)?2K?2?0? (3-19) 1??可见,分支对分支点元件的效应如同使该元件的转动惯量减小KE/w2,即
Ike?Ik??e2k (3-20)
由此可得对分支的处理方法是:从第一支开始,计算每一分支的累积矩阵,从而可计算出分支的等效扭转刚度KE,再修正它所连接的分支点的转动惯量。如此逐支处理,使分支系统最后化为单支系统,即主支等效系统。
4.计算主支等效系统的累计矩阵?rn 主支左右两端的状态矢量有以下关系
?Tr11Tr12??A??A? ??????M? (3-21)
TTM??n?r21?mr22?n?式中m,n分别为主支左右两端元件的顺序号。 已知?lm?0,则系统的剩余力矩R为:
rlR(?2)?Mn?(Tr21)nAm?(Tr21). (3-22)
RL16