[发明专利]一种航空发动机轮盘裂纹故障的动力学响应分析方法

权利要求书

1.一种航空发动机轮盘裂纹故障的动力学响应分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，采集获取航空发动机的转子系统、轴承、轮盘及轮盘裂纹的属性参数；属性参数包括：几何尺寸参数和材料特性参数；

S2，在裂纹开闭效应和轮盘环向应力因子模型的基础上，计算获得离心载荷作用下轮盘裂纹引起的附加不平衡量，并建立基于不平衡量假设的轮盘裂纹动力学模型；

S3，根据步骤S1获取的轴承的属性参数，建立轴承的拟静力学模型；

S4，根据步骤S1获取的转子的属性参数，建立转子的有限元模型；

S5，将步骤S2所建立的轮盘裂纹动力学模型与步骤S3所建立的轴承拟静力学模型、步骤S4所建立的转子有限元模型相结合，建立含轮盘裂纹的轴承-转子系统耦合动力学模型；

S6，对步骤S5构建的含轮盘裂纹的轴承-转子系统耦合动力学模型进行数值求解，得到转子系统的动力学振动响应，实现轮盘裂纹故障的动力学响应分析；

步骤S2中，建立的轮盘裂纹动力学模型表达式为：

式中，[M^d]——轮盘质量矩阵；[G^d]——轮盘陀螺矩阵；——轮盘加速度向量；——轮盘速度向量；{F^d}——轮盘外力矢量；{F^c}＝{0，F_ccos(ωt)，F_csin(ωt)，0，0}^T——轮盘裂纹引起的不平衡力矢量；ω——转速/rad·s^-1；

F_c的表达式为：

式中，h——轮盘厚度/m；a——径向裂纹长度/m；ρ——轮盘材料密度/kg·m^-3；E——轮盘材料杨氏模量/N·m²；υ——泊松比/1；R——轮盘半径/m；D——轮盘直径/m；r——裂纹顶端到轮盘圆心的距离/m。

2.根据权利要求1所述的一种航空发动机轮盘裂纹故障的动力学响应分析方法，其特征在于，步骤S1中，转子系统和轮盘的属性参数包括：几何尺寸参数和材料特性参数；轴承的属性参数包括：几何尺寸参数、材料特性参数、安装位置、预紧力和滚珠数量；轮盘裂纹属性参数包括：裂纹位置和裂纹长度。

3.根据权利要求1所述的一种航空发动机轮盘裂纹故障的动力学响应分析方法，其特征在于，步骤S3具体包括，将轴承简化为具有一个内圈节点和一个外圈节点的单元，将轴承参数带入Jones轴承模型，建立角接触球轴承的拟静力学模型。

4.根据权利要求1所述的一种航空发动机轮盘裂纹故障的动力学响应分析方法，其特征在于，步骤S4具体包括，利用Timoshenko梁单元对转轴、外部支撑结构进行有限元建模，建立转子的有限元模型。

5.根据权利要求1所述的一种航空发动机轮盘裂纹故障的动力学响应分析方法，其特征在于，步骤S6具体包括，使用Newmark积分法对含轮盘裂纹的轴承-转子系统耦合动力学模型进行数值求解。

6.根据权利要求1所述的一种航空发动机轮盘裂纹故障的动力学响应分析方法，其特征在于，步骤S5中，建立的含轮盘裂纹的轴承-转子系统耦合动力学模型的表达式为：

式中，[M^b]——转子质量矩阵；{x}——轮盘位移向量；[C^s]——结构阻尼；[G^b]——转子陀螺矩阵；[K^b]——转子刚度矩阵；[K^b]_p——转子轴向载荷引起的附加刚度矩阵；[M^b]_c——转子考虑离心力效应时的附加质量矩阵；[K^br]——轴承刚度矩阵；{F}——外力向量。