[发明专利]轴-盘-叶片非轴对称旋转机械振动响应预测方法

说明书

一种轴‑盘‑叶片非轴对称旋转机械振动响应预测方法，通过对实际模型进行测量或者基于三维CAD模型获取轴‑盘‑叶片非轴对称旋转机械各零部件的简化后结构尺寸及位置信息，获取轴‑盘‑叶片非轴对称旋转机械各零部件的材料参数和物理参数，对轴‑盘‑叶片非轴对称旋转机械进行有限元建模，采用广义连接单元和线性弹簧结合技术模拟轴承，将转速边界条件转换为旋转角位移边界施加在系统上，考虑转子本身的不平衡质量或者施加不平衡力，并对轴‑盘‑叶片系统有限元模型施加外部载荷，最后对轴‑盘‑叶片系统进行瞬态分析，获取系统关注零部件的时域振动响应，并对时域振动响应进行时频域分析，分析相应的振动响应特性。

技术领域

本发明涉及的是一种航空发动机制造领域的技术，具体涉及一种轴-盘-叶片非轴对称旋转机械振动响应预测方法。

背景技术

旋转机械(如航空发动机、燃气轮机等)依靠旋转动作完成特定的功能，广泛应用于电力、化工和航空航天等各个领域。旋转机械由于加工和安装误差，在运行过程中，不可避免地产生了不对中和不平衡，进而导致碰摩、裂纹和脱落等各种故障，不仅会破坏设备本身，还威胁着现场工作人员的生命安全。因此有必要对旋转机械各类故障振动响应进行预测，实现故障初期的预警，保护财产和生命安全。

大部分旋转机械不能满足关于任意穿过旋转轴的平面对称，即非轴对称旋转机械，例如，航空发动机轴-盘-叶片类转子就是典型的非轴对称旋转机械。目前，获取轴-盘-叶片非轴对称旋转机械的振动响应的预测方法主要有：将非轴对称旋转机械等效为一个轴对称旋转机械和附加的若干集中质量，或基于显示动力学方法对非轴对称旋转机械进行仿真分析，前者建模简单，计算效率高，然而不能获取非轴对称部分的振动响应；后者虽然能够获取任意空间位置的振动响应，然而计算精度受离散网格和时间步长的影响较大且存在累计误差。此外，很多研究者基于试验手段来获取非洲对称旋转机械的振动响应，但试验成本高，且有些部位无法进行测量。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种轴-盘-叶片非轴对称旋转机械振动响应预测方法，可以同时实现旋转机械的自转和涡动，以达到降低试验成本且模拟旋转机械各类故障的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种轴-盘-叶片非轴对称旋转机械振动响应预测方法，包括以下步骤：

步骤1、通过对实际模型进行测量或者基于三维CAD模型获取轴-盘-叶片非轴对称旋转机械各零部件的简化后结构尺寸及位置信息。

所述的零部件为需要关注其振动响应的零部件，包括但不限于：转轴、轮盘、叶片、轴承和机匣等。

步骤2、获取轴-盘-叶片非轴对称旋转机械各零部件的材料参数和物理参数；

步骤3、基于步骤1和步骤2中的信息，利用ANSYS软件APDL语言编制功能对轴-盘-叶片非轴对称旋转机械进行有限元建模，得到相应的轴-盘-叶片系统有限元模型；具体包括：

步骤3.1、基于步骤1中的转轴尺寸、轮盘在转轴上的位置信息和轴承在转轴上的位置信息以及步骤2中的转轴材料参数，建立转轴的有限元模型；

步骤3.2、基于步骤1中的轮盘尺寸和在转轴上的位置信息以及步骤2中的轮盘材料参数，建立轮盘的有限元模型；

步骤3.3、基于步骤1中的叶片尺寸和在转轴上的位置信息以及步骤2中的叶片材料参数，建立叶片的有限元模型；

步骤3.4、基于步骤1中的机匣尺寸和位置信息以及步骤2中的机匣材料参数，建立机匣的有限元模型，采用线性弹簧单元连接机匣和机匣接地节点来模拟机匣刚度和阻尼以及机匣支撑刚度和支撑阻尼；若不考虑机匣结构，则忽略步骤3.4；若考虑机匣和叶片之间的接触作用，则在执行步骤3.4后继续执行步骤3.7；