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直升机传动系统传动轴故障诊断方法研究

摘要

直升机作为常见的航空器，由于其具有空中悬停、垂直起降等优势，被广泛应用

于国防事业与国民经济之中。传动系统是直升机的重要组成部分，作为直升机的三大

重要部件之一，其安全裕度最小，因此针对传动系统的可靠性研究至关重要。基于这

样的研究背景，本文主要探究传动轴轴系不对中故障的动力学特性，并以此为出发点，

基于振动响应信号使用神经网络对于结构的损伤特征进行识别，并通过地面实验验证

方法的可靠性。

首先，本文建立了不对中传动轴动力学简化模型，将其转化为偏心旋转薄壁圆柱

壳模型。基于Flugge非线性壳体理论，考虑旋转产生的离心力、科里奥利力和偏心状

态下初始应力的影响，利用Hamilton变分原理推导了偏心旋转薄壁圆柱壳的振动微分

方程。由于传统的假设模态法无法求解旋转圆柱壳的行波振动问题，首次提出了一种

拓展假设模态函数方法解决此问题，并揭示了旋转圆柱壳行波解的产生机理。同时应

用有限元方法对不同边界条件下的旋转圆柱壳振动特性进行分析。通过与文献结果进

行对比，验证了所建立的模型、求解方法以及计算程序的正确性。

针对于偏心旋转薄壁圆柱壳的动力学特性，本文研究了长径比、厚径比、转速与

边界条件对圆柱壳固有频率的影响。通过绘制不同偏心率状态下的结构模态振型，分

析了偏心率对固有频率和振型的影响，发现偏轴引起的结构失谐会产生模态局域化与

频率交换现象。在此基础之上，通过对偏心状态下的圆柱壳特征向量进行分析，阐明

了偏心产生的局域化模态是由不同比重的均匀模态叠加形成。通过对结构进行分块研

究，解释了模态变形分布的成因。基于模态局域化现象，研究了偏心圆柱壳的振动响

应，将其作为故障诊断的依据之一。

最后，建立起一套基于BP-LM神经网络的传动轴故障诊断程序。通过仿真分别获

取了六种不同故障下传动轴壳体上一点的时域响应，对原始信号进行预处理以及特征

提取获得输入样本。引入BP-LM神经网络算法，对输入样本进行训练，获得故障诊断

模型。之后进行地面试验，获取了三种常见故障简化传动轴壳体上一点的实测时域响

应数据，通过构建神经网络训练模型，实现了对实测故障的识别，验证了本文提出方

法的正确性。

关键词：偏心旋转薄壁圆柱壳；传动系统；模态局域化；故障诊断；假设模态法

哈尔滨工程大学硕士学位论文

Abstract

Asacommonaircraft,helicoptersarewidelyusedinnationaldefenseandthenational

economyduetotheiradvantagessuchashoveringintheairandverticaltakeoffandlanding.

Thetransmissionsystemisanimportantcomponentofhelicopters,andasoneofthethree

importantcomponentsofhelicopters,itssafetymarginisthesmallest.Therefore,itiscrucialto

studythereliabilityofthetransmissionsystem.Basedonthisresearchbackground,thisarticle

mainlyexploresthedynamiccharacteristicsofmisalignmentfaultsinthetransmissionshaft

shaftsystem.Startingfromthis,neuralnetworksareusedtoidentifystructuraldamagefeatures

basedonvibrationresponsesignals,andthereliabilityofthemethodisverifiedthroughground

experiments.

Firstly,thisarticle