碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)具有高比强度、高比模量、大阻尼比和耐疲劳等优点,由CFRP制成的传动轴特别适用于长跨距、大扭矩和高转速传动系统。美国、德国、挪威等国家已将CFRP传动轴系应用于冷却塔、直升机和船舶舰艇等装备中,并且取得了良好的效果。CFRP传动轴系的振动特性直接影响着整个机械装备的性能。然而目前对CFRP传动轴系动力学的研究仅停留在CFRP空心轴层面,对传动轴系系统动力学的研究尚属空白。因此,围绕CFRP传动轴系展开动力学建模、动态特性分析和振动测试的研究,对CFRP传动轴系的工程化推广和应用具有重要意义。本文的主要研究内容如下:CFRP空心轴刚度模型的研究。对三维应力状态下复合材料空心轴的应力-应变进行分析,结合复合材料空心轴成型工艺特点,提出连续交叉离散层建模方法;在此基础上,采用力学解析的方法分别建立复合材料空心轴薄壁/厚壁统一刚度三维解析模型,通过CFRP空心轴试验件的弯曲和扭转测试,并且与经典层合理论、有限元方法、和经典解析方法进行对比,对刚度三维解析模型的准确性进行了验证。CFRP空心轴阻尼模型和特性的研究。结合复合材料阻尼损耗因子模型和有限元分析方法,提出了基于逆偏轴变换的CFRP空心轴阻尼改进数值模型;对CFRP层合板的阻尼进行测试和分析,对本文运用的CFRP材料的阻尼损耗因子参数进行了反求;在此基础上,通过CFRP空心轴弯曲和扭转阻尼测试,验证改进阻尼数值模型的准确性;进而对CFRP空心轴的弯曲阻尼和扭转阻尼特性进行了研究,得到了铺层参数和振动阶次变化对CFRP空心轴阻尼的影响规律。CFRP传动轴系振动理论模型和动力学特性分析的研究。在CFRP空心轴的刚度和阻尼模型的基础上,对CFRP传动轴系的弯曲振动和扭转振动展开研究,建立了CFRP传动轴系振动理论模型。以重型机床CFRP传动轴系和船舶CFRP传动轴系为对象,分别进行弯曲振动和扭转振动特性的分析,得到了CFRP空心轴参数变化对整个传动轴系的固有频率和不平衡响应的影响规律;并且与同尺寸金属传动轴系的动态特性进行对比,对CFRP传动轴系的振动稳定性进行了评价和分析,界定了CFRP传动轴系弯曲振动和扭转振动满足稳定性要求的空心轴铺层参数设计区间。CFRP传动轴系振动试验研究。分别针对重型机床CFRP传动轴系和船舶CFRP传动轴系试验件,对其弯曲振动和扭转振动进行测试。通过对比本文建立的CFRP传动轴系振动理论模型,验证了理论模型的准确性;并且对CFRP传动轴系振动稳定性分析得到的部分结论进行了试验验证。本文从传动轴系系统层面,对CFRP传动轴系的动力学理论模型和振动试验方面进行研究,弥补了CFRP传动轴系动力学方面研究的不足,为CFRP传动轴系的工程应用奠定理论基础。