[发明专利]一种考虑阻尼结构摩碰的透平机械叶片非线性振动特性分析方法

说明书

本发明提出了一种考虑阻尼结构摩碰的透平机械叶片非线性振动特性分析方法，在通过有限元方法得到透平机械叶片‑轮盘系统的时域线性有限元动力学方程后，应用模态综合法进行自由度数减缩，获得时域线性减缩有限元动力学方程，进一步通过多谐波平衡法，得到频域线性减缩有限元动力学方程；叶片‑轮盘有限元模型上由于接触摩擦而产生的非线性力矢量，由库伦干摩擦模型确定，并转化为频域下的透平机械叶片‑轮盘有限元模型的所有节点的非线性力矢量，从而获得透平机械叶片‑轮盘的频域非线性减缩有限元动力学方程；之后求解画出透平机械叶片‑轮盘的频响曲线。本方发明大幅度降低了计算时间以及计算成本，从而大幅提高效率。

技术领域

本发明属于透平机械设计领域，具体涉及一种透平机械叶片非线性振动特性分析方法。

背景技术

透平机械作为能源转换的重要设备，在现代社会中有着重要的地位，保证透平机械的安全运行具有重要意义。透平机械叶片作为关键部件，其失效问题成为透平机械故障的主要原因。透平机械叶片的工作环境恶劣，尤其是叶片在气流激振力的作用下产生振动问题，局部较大的振动应力导致的高周疲劳是造成叶片失效的主要原因之一。目前一种行之有效的降低叶片振动水平的方法就是增加叶片阻尼，而应用最广泛的增加叶片阻尼的方法为增加干摩擦阻尼，其基本工作原理为通过相邻叶片围带接触面、拉筋之间接触面等阻尼结构摩擦面之间的摩擦-碰撞作用，形成摩碰现象，将振动能量转化为热能耗散掉，从而降低了叶片振动水平。

目前针对透平机械叶片的干摩擦阻尼振动特性，工程上常用的方法是利用线性等效模型(质量-阻尼-弹簧)代替干摩擦阻尼，相当于仅仅考虑了由透平机械叶片阻尼结构接触面上产生的非线性力的单谐波分量，精确度不高，尤其是出现接触面分离状况时，同时这种方法在阻尼结构由微动滑移转为宏观滑移的过渡区常常误差较大，且不适于推广。而利用多谐波平衡法将原时域下的透平机械非线性运动方程转化为频域下的多谐波非线性运动方程，即可考虑到由透平机械叶片干摩擦阻尼作用而产生的非线性力的多次谐波分量，此时则可以保证透平机械叶片所采用的干摩擦模型具有很高的精确度。进一步，可以得到具有高保真度的透平机械叶片在稳态激励(如气流激振力)下的振动特性。然而，在采用多谐波平衡法时，会根据所选取的谐波分量数，将原透平机械系统的自由度数成倍扩充，所以，如果仍采用透平机械系统原有的自由度数来进行运动方程求解，则计算量巨大，计算成本过高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑阻尼结构摩碰的透平机械叶片非线性振动特性分析方法，针对透平机械叶片在非线性干摩擦阻尼下的振动特性计算分析，以解决上述现有技术存在的计算效率低下的问题。本发明应用多谐波平衡法来提高干摩擦模型的精确度以及透平机械叶片在稳态激励下振动特性的保真度，同时，通过采用模态综合法来减缩透平机械系统的自由度数，从而大幅度降低计算量以及计算成本。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种考虑阻尼结构摩碰的透平机械叶片非线性振动特性分析方法，包括以下步骤：

1)根据实际透平机械叶片-轮盘的几何结构，建立透平机械叶片-轮盘的三维模型并生成有限元模型；

2)确定叶片-轮盘有限元模型各个阻尼结构接触界面、摩碰节点对，并进行静力学接触分析；

3)求解叶片-轮盘有限元模型的刚度矩阵和质量矩阵；

4)通过试验确定透平机械叶片-轮盘的阻尼矩阵；

5)对叶片部分进行气动分析，得到透平机械叶片-轮盘所有节点的周期流体激振力矢量；

6)应用模态综合法，获得透平机械叶片-轮盘的时域线性减缩有限元动力学方程；

7)通过多谐波平衡法得到透平机械叶片-轮盘的频域线性减缩有限元动力学方程；

8)依据库仑(Coulomb)干摩擦模型，获得透平机械叶片-轮盘有限元模型各节点受到的非线性力矢量；