[发明专利]一种薄壁圆柱筒结构振动故障特征确定方法

摘要

一种薄壁圆柱筒结构振动故障特征确定方法，属于薄壁圆柱筒类结构的振动分析技术领域。测量薄壁圆柱筒构件的几何参数，包括：中面直径、筒的长度和壁厚；根据薄壁圆柱筒的材料确定弹性模量、泊松比和密度；确定薄壁圆柱筒在静止或旋转状态下的振动响应特征；根据实际圆柱筒所发生的裂纹或破损部位，判别出故障成因。本发明针对现有薄壁圆柱筒结构的强迫振动响应分析方法尚不完善，且大多分析都基于有限元软件分析的客观现状，给出了一种系统的精确计算方法，完善了该领域的分析理论，可有效降低航空发动机鼓筒和机匣等这类薄壁圆柱筒构件的故障发生率。

主权项

一种薄壁圆柱筒结构故障特征确定方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：测量薄壁圆柱筒构件的几何参数，包括：中面直径、筒的长度和壁厚；根据薄壁圆柱筒的材料确定弹性模量、泊松比和密度；步骤2：根据步骤1的数据，确定薄壁圆柱筒在静止或旋转状态下的振动响应特征，具体如下：步骤2.1：分别建立两个坐标系：首先，建立一个全局坐标系，以筒的一端截面圆圆心作为坐标原点，筒的长度方向为横坐标，筒的半径方向为纵坐标；其次，建立一个局部坐标系，以筒中面上任意一点作为坐标原点，筒的长度方向为横坐标，沿筒半径方向为纵坐标；步骤2.2：在圆柱筒上加一个力，来模拟圆柱筒构件的实际受力情况，计算出圆柱筒上各点因受力振动而引起的振动位移，该位移即称为振动响应；根据圆柱筒上的各点位移变化规律确定圆柱筒构件在受力情况下的振动规律，即为振动响应特征，而在某一阶固有频率下对应的振动响应特征称之为薄壁圆柱壳的振型；所述的圆柱筒上各点因受力振动而引起的振动位移，确定过程包括步骤如下：步骤2.2.1：确定圆柱筒的支撑方式：圆柱筒结构包括以下四种支撑方式：(1)第一种支撑方式为：自由—自由支撑方式；(2)第二种支撑方式为：简支—简支支撑方式；(3)第三种支撑方式为：固支—自由支撑方式；(4)第四种支撑方式为：固支—固支支撑方式；步骤2.2.2：根据步骤2.2.1选定一种支撑方式，并建立全局坐标系和局部坐标系，在全局坐标系下建立薄壁圆柱筒构件的振动方程，利用所述振动方程计算出圆柱筒构件在该支撑方式下的各阶固有频率；步骤2.2.3：根据步骤2.2.2得出的各阶固有频率，在局部坐标系下计算出圆柱筒上的各点位移，具体步骤如下：步骤2.2.3.1：根据步骤2.2.1选定的支撑方式，计算出各点的各阶振型比，各阶振型比是计算位移的一个非常重要的中间量；步骤2.2.3.2：根据步骤2.2.2得出的各阶固有频率，以及步骤2.2.3.1得出的各阶振型比，确定圆柱筒的位移与固有频率的关系式，以便于计算圆柱筒上各点的位移；步骤2.2.3.3：在圆柱筒局部坐标系下，任意设定一点为受力点；步骤2.2.3.4：根据步骤2.2.2得出的各阶固有频率、步骤2.2.3.1得出的各阶振型比和步骤2.2.3.3所加的力，计算出圆柱筒上各点的振动位移；步骤2.3：根据步骤2.2得出圆柱筒上各点的振动位移，确定圆柱筒的振动响应特征，进而确定各阶固有频率下的振型薄壁圆柱筒的各阶振型；步骤3：根据实际圆柱筒所发生的裂纹或破损部位，与由步骤2计算出的振动响应特征对照，从而判别出故障是由工作时的激励力频率与圆柱筒构件某阶固有频率一致或接近所造成的，排除故障的方法通常有两种：(1)重新设计圆柱筒构件改变其固有频率；(2)改变圆柱筒构件的工作状态，使其工作激励力或工作转速的频率改变。