[发明专利]一种流体载荷与振动载荷直接耦合的应力仿真方法

说明书

本发明公开了一种流体载荷与振动载荷直接耦合的应力仿真方法，包括：将振动载荷的频域信号转换为时域信号，再将时域信号从单周期拓展为多周期，得到长时间时域信号；采用有限元分析软件对温度传感器进行建模并完成前处理；进行速度、温度、压力和振动四种环境载荷的直接耦合仿真，得到整个仿真时间内温度传感器整体结构的应力分布。基于本发明提出的四种载荷直接耦合的仿真方法得到的温度传感器的综合应力仿真，能够实现在长时间多种环境载荷的直接耦合仿真，获得温度传感器在长时间下的应力、应变及其形变的变化情况，以及温度传感器薄弱位置的应力积累情况。

技术领域

本发明属于恶劣环境下温度传感器的可靠性分析领域，具体是一种燃气轮机内部相应温度、速度、压力的流体与振动耦合的一种多载荷综合应力仿真方法。

背景技术

燃气轮机用热电偶温度传感器具有较好的优点，主要应用于航空、航天与舰船发动机的检测等复杂恶劣环境，这种温度传感器工作过程主要在恶劣的复杂环境中，对温度传感器的使用性能、成本及寿命有较大的影响，而且会影响燃气轮机和发动机的可靠性。

温度传感器工作的环境可能同时存在高温、高压、高速度以及振动等多种环境，通过实际环境测试评估温度传感器的可靠性变得极为困难。在实际的测试环境中，只能进行三种环境载荷的耦合测试，比如温度与压力与速度耦合，目前还不能进行振动应力之间的耦合测试，因此，多种载荷耦合的仿真方法变得极为重要。

ANSYS workbench软件能够用于对复杂机械系统的结构静力学、结构动力学、刚体动力学、流体动力学、结构热、电磁场以及耦合场等进行分析模拟，但该软件自身还存在很多不足之处，需要改进和优化：

首先，在频域的仿真中只能采取有预应力的模态与振动的耦合方式，有预应力的模态与振动的耦合方式是在有温度、压力和速度载荷影响下的振动仿真，只能得到有温度、压力与速度影响下的振动仿真结果，其中，温度、压力以及速度会影响振动结果；但是不能得到温度、压力、速度和振动共同作用的仿真结果；采取有预应力的模态与振动的耦合方式来获得振动的最大响应，无法得到长时间下温度传感器处于四种应力下的应力应变情况，且模态与振动的耦合仿真方法只能得到一个粗略的结果。

其次，模态与振动耦合的仿真方式中载荷施加的边界条件和静态仿真中温度与压力的载荷施加边界条件存在冲突，温度传感器综合应力仿真中，温度、压力与速度的仿真采用温度传感器结构的螺纹面固定的约束方式，这与实际的工作环境相近；对于振动的仿真，一般采用固定的约束方式，但是采用温度传感器螺纹处固定的约束方式，很难模拟同时具有温度、压力、振动等环境载荷下温度传感器的实际边界情况。

最后，采取有预应力的模态与振动的耦合方式难以导出初始应力文件，该初始应力文件主要用于静态仿真中与温度、压力与速度进行间接耦合。目前只能采用工况叠加的方式来进行四种应力的结果叠加，工况叠加的方式带来了较大的方法误差，这种方式是多种载荷仿真结果的叠加，不能体现出各种载荷相互影响下的结果。根据以上分析可知，具有预应力模态与振动的耦合方式的边界约束、多种环境应力的间接耦合导致方法误差和频域如何导出初始应力文件成为一个亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种流体载荷与振动载荷直接耦合的应力仿真方法。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种流体载荷与振动载荷直接耦合的应力仿真方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步、将振动载荷的频域信号转换为时域信号，再将时域信号从单周期拓展为多周期，得到长时间时域信号；

第二步、采用有限元分析软件对温度传感器进行建模并完成前处理；

第三步、进行速度、温度、压力和振动四种环境载荷的直接耦合仿真，得到整个仿真时间内温度传感器整体结构的应力分布。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：