[发明专利]一种滚动轴承-转子系统的瞬态响应分析方法

说明书

本发明公开了一种滚动轴承‑转子系统的瞬态响应分析方法，包括以下步骤：S1、建立滚动轴承‑转子系统的有限元模型；S2、对滚动轴承‑转子系统的有限元模型中的各部件建立连接关系、施加约束条件；S3、建立滚动轴承‑转子系统各部件的子结构，并采用模态综合法对所述有限元模型进行缩减；S4、获取滚动轴承‑转子系统的刚度矩阵K、质量矩阵M和阻尼矩阵C，建立滚动轴承‑转子系统动力学模型；S5、采用Newmark‑β数值迭代方法，对滚动轴承‑转子系统进行瞬态分析并求解。采用模态综合法对模型进行缩减降低了对系统的瞬态求解计算的计算量，并且结合Newmark‑β方法中将加速度进行插值计算，因此在方程求解计算中可以获得更佳的计算精度和计算速度。

技术领域

本发明属于航空发动机领域，尤其涉及一种滚动轴承-转子系统的瞬态响应分析方法。

背景技术

航空发动机转子系统的非线性部分多集中于支承等处，是典型的局部非线性问题。轴承自身的非线性或者轴承故障产生的非线性，使整个转子系统成为一个高维非线性系统，结构瞬态响应变得越来越复杂，直接采用三维的有限元建模对计算机和数值算法有着较高的要求，且计算效率较低。为提高非线性高维系统的设计效率，多需要对系统进行维数的缩减，同时非线性问题带来大高计算量需要通过数值算法优化。

目前，国内外学者们针对滚动轴承-转子高维系统结构的研究很多，但是大部分将复杂模型进行高度的简化，质量点-弹簧模型居多，模型结构特性失真严重；在动力学响应方面，对其固有特性的分析研究居多，对非线性以及瞬态响应特性的研究较少，或者对非线性以及瞬态响应特性求解难度高、计算效率慢。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中模型结构特性失真、对非线性以及瞬态响应特性求解难度高、计算效率慢的缺陷，提供一种滚动轴承-转子系统的瞬态响应分析方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种滚动轴承-转子系统的瞬态响应分析方法，包括以下步骤：

S1、建立滚动轴承-转子系统的有限元模型；

S2、对所述滚动轴承-转子系统的有限元模型中的各部件建立连接关系、施加约束条件；

S3、建立所述滚动轴承-转子系统各部件的子结构，并采用模态综合法对所述有限元模型进行缩减；

S4、获取所述滚动轴承-转子系统的刚度矩阵K、质量矩阵M和阻尼矩阵C，建立滚动轴承-转子系统动力学模型；

S5、采用Newmark-β数值迭代方法，对所述滚动轴承-转子系统进行瞬态分析并求解。

本技术方案中，采用模态综合法对滚动轴承-转子系统的模型进行缩减，减少系统的自由度，大大降低了方程的维数，对系统的瞬态求解计算，降低了计算量。第二，本发明将滚动轴承的非线性模型或者故障模型导入系统中，在瞬态计算时会进行反复迭代，会增加方程求解的难度，采用Newmark-β方法中将加速度进行插值计算，因此在方程求解计算中可以获得更佳的计算精度和计算速度。

较佳地，所述有限元模型包括线性模型和非线性模型，所述线性模型为所述滚动轴承-转子系统整体模型，所述非线性模型在所述线性模型建立完成之后导入。

较佳地，所述线性模型利用ANSYS软件的APDL功能建立梁单元和弹簧单元模型，并采用质量单元施加约束条件。

较佳地，所述线性模型包括转轴、中衬套和外壳体结构；采用BEAM188梁单元模拟所述转轴、所述中衬套和所述外壳体结构。

较佳地，所述线性模型包括转轴、中衬套和外壳体结构；采用COMBI214弹簧单元模拟所述转轴、所述中衬套、所述外壳体之间的连接关系。

较佳地，所述线性模型包括转轴、中衬套和外壳体结构；采用MASS21质量单元对所述外壳体六个自由度的全约束。