金属工件在加工过程中常会产生残余应力,残余应力的存在将会影响其尺寸稳定性、产生应力腐蚀和疲劳破坏,因此有必要消减工件内部的残余应力,减小疲劳因素的影响,使其更加安全地在寿命设计范围内工作。转轴类零件广泛应用于机械装备和电力装备中,因此在转轴零件加工之后进行消减残余应力工艺,可以提高转轴的使用寿命和尺寸稳定性等,以提高机械装备和电力装备工作时的动态性能。常用的降低残余应力的方法主要有自然时效、热时效和振动时效处理,还有少数采用磁处理。自然时效处理所需要的时间很长,占用空间也很大;热处理会消耗大量燃料资源或电能,成本高,而且燃料的燃烧会污染环境;磁处理方法降低残余应力的机理仍然需要进行更深入的研究,目前未能得到广泛应用。工件经过振动时效处理之后,其内部的残余应力得到重新分布,工件的尺寸稳定性得到了提高,疲劳强度也随之提高,而且只需要数十分钟左右即可完成处理过程,与热时效处理方法比较,振动时效处理在时间和成本上比热时效处理低。然而,对于大刚度或残余应力分布比较复杂的转轴,目前还没有合适的振动时效工艺来处理。对于高刚度的零件,用传统的偏心电机来进行激振,其200 Hz的激励频率上限无法使高刚度零件产生共振。Wozney提出当前最具有共识的振动时效条件,即“要使得残余应力降低,需要所施加的外部动应力与残余应力的叠加超过材料的屈服极限”。根据Wozney所提出的条件,传统的激振器在处理高刚度工件时的效果不太理想。针对以上提出的问题,本文提出用弯扭耦合共振产生的动应力来消减残余应力。为了把弯扭耦合共振理论应用到振动时效工艺中,首先要确定由轴承支撑的转轴所受外部激励的频率和幅值、旋转速度和偏心矩的大小。本文运用有限元方法来建立转子—轴承系统的弯扭耦合动力学模型,该动力学模型是多自由度的,加入了偏心质量这一个耦合因素,将偏心质量视为一个独立的单元加入到已有的考虑弯曲变形和扭转变形的转子—轴承系统动力学方程中,同时考虑转动惯量、剪切变形、陀螺力矩效应、轴承刚度阻尼和动态不平衡的影响。由于考虑了陀螺力矩甚至是轴承各向异性支撑参数的影响,整体矩阵不再是对称的,不能视为小阻尼系统,需要引入状态变量将方程转换到状态空间中进行求解。通过数值方法进行模态分析,得到转子—轴承系统的固有频率和振型,并得到弯曲刚度、扭转刚度、支撑性质、偏心矩、外部激励的关系,由此来设定转轴的弯扭耦合共振的参数。由于弯曲固有频率和扭转固有频率的差值不一定很小,如果要产生弯扭耦合共振,需要很高的转速,因此需要在工艺设计上进行结构调整,如增加悬臂飞轮,或增加一跨轴承来支撑带有飞轮的延长轴段,通过这种方式来尽量调节弯扭固有频率的差值。得到比较合适的弯、扭固有频率差值之后,根据共振条件来设定驱动电机的转速,在这一恒定转速下,根据残余应力集中位置选择合适的振型,对转轴施加动态偏心和外部周期性激励并进行瞬态动力学分析,采用逐步积分法Newmark-β法来进行求解,通过编写MATALB程序求解转子-轴承系统的弯扭耦合振动特性,包括各节点的位移响应和动应力响应,以确定弯扭耦合共振式振动时效的各个参数。由于弯扭耦合振动的动力学方程中的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵和力向量矩阵都是随时间变化的,是一个时变的参数激励系统,因此通过Floquet理论对弯扭耦合共振动力学方程进行稳定性分析,得到共振状态下转轴的振动是周期稳定的。由于弯扭耦合共振下的材料应力状态为复杂应力状态,所使用的强度理论与Wozney提出的振动时效机理中采用的单向拉压变形的强度理论不同。本文在Wozney提出的振动时效条件的基础之上,将统一强度理论引入到弯扭耦合共振式振动时效的机理分析之中,考虑了中间主应力的影响、材料拉、压强度不同的影响,得到了复杂应力状态下消减残余应力的机理,使得该振动时效机理较之传统振动时效机理更加合理。通过以上的理论分析,设计了弯扭耦合共振式振动时效装置并进行实验分析,通过对固有频率、弯曲振动和扭转振动的测量,得到了弯曲、扭转振动相互耦合的结论,为激发足够动应力打下基础,也为将弯扭耦合共振理论应用到振动时效领域积累相关的经验和数据。