[发明专利]一种鼠笼式弹性支承刚度及应力分析方法

说明书

本申请提供一种鼠笼式弹性支承刚度及应力分析方法，所述方法应用于鼠笼式弹性支承结构，方法包括：根据鼠笼式弹性支承结构特点，计算在所述鼠笼圆环产生预设位移δ_ring时，第j个笼条位置角θ_j处对应的笼条悬臂端位移δ_sj，1≤j≤N,所述N为笼条个数；根据弹性变形理论，采用梁单元离散每根笼条，计算笼条应变矩阵B、应力矩阵κ、刚度矩阵K_j；根据矩阵B、κ、K_j，计算第j根笼条悬臂端发生位移δ_sj时，第j根笼条应力σ_ji及应变ε_ji分布，以及笼条对鼠笼圆环的作用力；根据所有笼条对鼠笼圆环的作用合力，计算鼠笼式弹性支承刚度矩阵K_s。此方法可兼顾分析精度与计算效率，快速得到其刚度及应力分布，为鼠笼式弹性支承优化设计提供考虑因素更加全面的方法。

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，具体涉及一种鼠笼式弹性支承刚度及应力分析方法。

背景技术

鼠笼式弹性支承广泛应用于航空发动机、燃气轮机、火箭发动机等各种旋转机械中，用于配合滚动轴承共同支撑转子系统工作，并调节转子系统临界转速区域，使得旋转机械工作转速区尽可能避开转子系统共振区域，大量设计及试验过程均发现，鼠笼式弹性支承刚度极大程度影响转子系统动力学特性，其应力亦会制约整个转子系统工作可靠性。

如何快速、全面、合理、准确地计算及评估鼠笼式弹性支承刚度及应力力学特性，深入了解多方向复合载荷下鼠笼式弹性支承笼条应变、应力变化规律，对于优化鼠笼式弹性支承刚度设计、应力分布有极大助益，可进一步降低鼠笼式弹性支承刚度与转子系统实际需求不完全匹配以及笼条工作过程发生断裂的风险，旋转机械转子动力学设计与滚动轴承动力学设计将由此变得更加精细化和准确化，最终提高转子-支承系统工作可靠性。

近年来，国内一些学者针对鼠笼式弹性支承开展了大量的理论分析工作，如论文：鼠笼式弹性支承结构参数化设计与试验(冯国权)、折返式鼠笼弹性支承刚度特性研究(王洋洲)、串联式鼠笼弹性支承高周疲劳性能试验(栗勇)、鼠笼式弹性支承分步优化设计方法(罗忠)、燃气轮机转子-鼠笼-挤压油膜阻尼器动力学特性研究(徐方程)等，但大多集中于径向载荷对鼠笼式弹性支承径向刚度和最大应力的研究，而鼠笼式弹性支承实际工作过程中轴向、径向、角向以及扭转刚度均会影响滚动轴承-转子系统动力学特性，仅少数学者基于商用有限元分析软件分析了关于载荷特性与鼠笼式弹性支承应力分布、径向刚度、角刚度的关系。

总体来说，目前针对鼠笼式弹性支承力学特性的研究方法主要是通过简化的力学解析计算公式或通过商用有限元分析软件对其进行刚度和应力分析，一方面，鼠笼式弹性支承刚度及应力计算解析或经验公式简化过多，仅可计算径向刚度和笼条最大应力，无法计算其它方向刚度、各方向刚度的耦合影响以及笼条应力分布情况，另一方面，若采用商用有限元软件对鼠笼式弹性支承刚度及应力进行分析，虽然可以详细分析笼条应力分布与鼠笼式弹性支承各方向刚度，但仍会存在三个问题：1)商用软件有限元分析结果精度和可靠性与设计人员对鼠笼弹支使用过程力学边界条件的认识有较大的关系，计算结果可靠性依设计人员的软件使用经验与对其力学特性认知深度而定，存在较大不稳定性；2)商用有限元软件分析过程建模、计算时间较长，且很难跟转子-支承系统动态特性分析过程进行耦合运算，不利于转子动力学或滚动轴承动力学计算时考虑较为全面、精确的鼠笼式弹性支承力学模型；3)商用有限元分析软件建模较为繁琐，网格划分质量也会较大程度影响鼠笼式弹支刚度及应力分析结果，每次设计、分析再反馈调整设计的迭代过程极其耗时耗力。

因此，亟需建立一种高效准确且便于移植到其他系统级仿真模型中的鼠笼式弹性支承刚度及应力分析方法。

发明内容