[发明专利]一种基于空间任意斜裂纹的转子变刚度确定方法及系统

说明书

本发明公开一种基于空间任意斜裂纹转子的变刚度确定方法及系统，所述方法包括：确定空间任意斜裂纹转子的总应变能模型；根据所述总应变能模型确定空间任意斜裂纹转子的柔度参数；根据所述柔度参数确定空间任意斜裂纹转子的变刚度模型；将待检测的空间任意斜裂纹转子的参数值输入所述变刚度模型确定空间任意斜裂纹转子的变刚度，以实现对空间任意斜裂纹转子的变刚度的确定，便于后期根据变刚度设计转子强度以及对转子进行故障诊断。

技术领域

本发明涉及确定转子变刚度的技术领域，特别是涉及一种基于空间任意斜裂纹的转子变刚度确定方法及系统。

背景技术

现代转子系统长时间工作于严酷的机械、热应力环境中，疲劳裂纹时有发生，如果得不到及时监测将严重威胁系统的运行安全。裂纹动力学是转子裂纹监测的基础，涉及裂纹的动力学建模与分析等内容。

现有的研究针对横向裂纹(裂纹面同时垂直于转子轴线和基面)的情况较多，如图3所示。近年来，研究方向开始关注于斜裂纹。相比于横向裂纹，斜裂纹会导致刚度矩阵中不同参数的更多耦合，进而造成转子弯曲、扭转甚至是纵向振动的耦合。Bachschmid等指出，通常情况下转子裂纹面垂直于转轴轴线方向(即横向)，但在大扭矩和强弯矩载荷作用下裂纹会沿着螺旋方向扩展，从而形成螺旋裂纹或斜裂纹。它们以精细的三维非线性模型为基础，建立起更为简单的裂纹转子一维有限元模型，据此对横裂纹与斜裂纹的呼吸机理、弯扭联合作用下裂纹的扩展行为进行数值仿真与实验验证。Han等认为齿轮啮合力导致的大扭矩往往引发裂纹的斜向扩展，因此对含有斜裂纹的齿轮-转子-轴承系统的动力学特性进行了数值仿真研究。国内刘长利等对横裂纹与斜裂纹转子的变刚度特性进行了对比，并进一步研究了双盘、双呼吸型裂纹转子系统的典型非线性动力学特性。夏恒恒等分析了斜裂纹转子在裂纹全部张开状态下刚度的影响因素。但是，这些确定转子变刚度特性的绝大部分针对的是裂纹面倾斜于转轴轴线垂直于转轴基面的横-斜或直-斜裂纹，如图4所示。而对于如图5-6所示的空间任意斜向裂纹(即裂纹面与转轴轴线和转轴基面均不垂直)，其几何模型相比于横向、横-斜向的几何模型有着本质的区别，因此它们确定转子变刚度特性方法也有很大差别，另外，由于其推导过程极端复杂，所以迄今为止并没有针对空间任意斜裂纹的转子变刚度特性进行研究。基于上述问题，如何确定基于空间任意斜裂纹的转子变刚度特性成为本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于空间任意斜裂纹转子的变刚度确定方法及系统，以实现对空间任意斜裂纹转子的变刚度的确定，便于后期根据变刚度设计转子强度以及对转子进行故障诊断。

为实现上述目的，本发明提供一种基于空间任意斜裂纹转子的变刚度确定方法，所述方法包括：

确定空间任意斜裂纹转子的总应变能模型；

根据所述总应变能模型确定空间任意斜裂纹转子的柔度参数；

根据所述柔度参数确定空间任意斜裂纹转子的变刚度模型；

将待检测的空间任意斜裂纹转子的参数值输入所述变刚度模型确定空间任意斜裂纹转子的变刚度；所述待检测的空间任意斜裂纹转子的参数值为空间任意斜裂纹转子的长度l、直径D、裂纹深度a以及裂纹面空间方位角度θ₁和θ₂中至少一者。

可选的，所述确定空间任意斜裂纹转子的总应变能模型，具体包括：

获取无裂纹转子的应变能；

确定裂纹面张开、滑移与剪开三种位移模式的应力密度因子；

根据裂纹面张开、滑移与剪开三种位移模式的应力密度因子确定外加应变能；

根据无裂纹转子的应变能和外加应变能确定空间任意斜裂纹转子的总应变能模型。

可选的，所述根据裂纹面张开、滑移与剪开三种位移模式的应力密度因子确定外加应变能，具体公式为：