[发明专利]叶盘-机匣系统的碰摩动力学特性的数字仿真模拟方法

说明书

本发明涉及一种叶盘‑机匣系统的碰摩动力学特性的数字仿真模拟方法，S1、采用壳单元和弹簧单元建立弹性支撑的轮盘有限元模型，采用弹簧单元和铁木辛柯梁单元构建叶片有限元模型和弹性机匣有限元模型；S2、在S1中获得的轮盘有限元模型和叶片有限元模型之间建立界面耦合单元，获得初步的叶盘动力学模型；S3、采用Craig‑Bampton方法分别对初步的叶盘动力学模型和机匣动力学模型进行降维；最后通过组集获得减缩后的叶盘‑机匣系统动力学模型；S4、采用拉格朗日乘子法和中心差分法相结合的方式求解减缩后的叶盘‑机匣系统动力学模型的碰摩动力学特性。本发明提供的数字仿真模拟方法不仅节省了试验的财力成本和时间成本，同时大大提高了获取故障特征的计算效率。

技术领域

本发明属于转子和定子系统之间的碰摩故障模拟技术领域，尤其涉及一种叶盘-机匣系统的碰摩动力学特性的数字仿真模拟方法。

背景技术

高性能航空发动机正朝着轻量化、高可靠性和低成本的方向发展，而整体叶盘作为航空发动机的关键部件，其结构与性能对高性能航空发动机的设计具有重要作用。为了提高航空发动机的气动效率和降低其燃油消耗率，减小叶尖和机匣间的间隙是一种最直接和最有效的方式，但同时也增大了叶尖和机匣间发生碰摩的可能性。

此外，在整体叶盘加工制造过程中很难保证其结构的循环对称性，潜在的故障如偏心、失谐等会进一步放大整体叶盘的振动，进而加剧叶尖和机匣发生碰摩的风险。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种叶盘-机匣系统的碰摩动力学特性的数字仿真模拟方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种叶盘-机匣系统的碰摩动力学特性的数字仿真模拟方法，

S1、采用壳单元和弹簧单元建立弹性支撑的轮盘有限元模型，采用弹簧单元和铁木辛柯梁单元构建叶片有限元模型和弹性机匣有限元模型；

S2、在S1中获得的轮盘有限元模型和叶片有限元模型之间建立耦合单元，获得初步的叶盘动力学模型；

S3、采用Craig-Bampton方法分别对初步的叶盘-机匣系统动力学模型进行降维；最后通过组集获得减缩后的叶盘-机匣系统动力学模型；

S4、采用拉格朗日乘子法和中心差分法相结合的方式求解减缩后的叶盘-机匣系统动力学模型的碰摩动力学特性。

优选地，所述方法还包括：S2中采用界面耦合单元建立耦合关系；

其中，所述耦合关系包括轮盘中心点与轮盘中心孔之间的耦合和轮盘外缘与叶片之间的耦合。

优选地，所述方法还包括：对S3中得到的减缩后的叶盘-机匣系统动力学模型进行收敛性处理，获得精度更高的叶盘-机匣系统动力学模型。

优选地，所述方法还包括：S3中对扭形叶片有限元模型和变截面轮盘有限元模型分别进行两次降维，对弹性机匣有限元模型进行一次降维。

优选地，采用罚函数法获得轮盘中心点O_d和轮盘中心孔之间的第i个刚性耦合节点对的耦合关系的单元刚度矩阵为

k_p＝max(diag(K_d,e))为罚刚度，K_d,e为轮盘的结构刚度矩阵，因此整个刚性区的刚度矩阵为其中N_I表示轮盘中心孔的节点数。

优选地，通过罚函数法获得轮盘外缘与叶片之间第k个界面耦合单元的刚度矩阵为k表示第k个叶片；

轮盘外缘与叶片之间总的耦合刚度矩阵为N_b表示叶片数目。