CN110162861A - 一种基于有限元的涡轮泵充浸液湿模态分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于有限元的涡轮泵充浸液湿模态分析方法，利用ANSYS有限元软件，通过APDL语言命令流和WORKBENCH模态分析模块分别对涡轮泵壳体充液和离心轮结构浸液状态下进行湿模态的分析研究，分析液体对结构固有频率和振型的影响，同时考虑工程状况下涡轮泵结构的充浸液氧状态，分析浸没介质对涡轮泵结构模态特性的影响，为防止结构的共振提供重要的动力学依据。本发明对于充浸液结构固有频率计算具有一定的通用性，且可以改变充浸液介质，获取工作状态下更加准确的结构固有频率和振型，为防止结构共振破坏、振动疲劳以及评价结构的动态特性和优化结构设计提供一定的依据。

Description

一种基于有限元的涡轮泵充浸液湿模态分析方法
技术领域
本发明涉及模态分析领域，尤其是一种模态分析方法。
背景技术
液体火箭发动机的各种部件中，涡轮泵是故障高发部件，这与涡轮泵特殊的结构、工作方式和工作环境有密切联系。涡轮泵作为发动机系统的关键部件，它的可靠性对整个发动机系统的稳定运行起着至关重要的作用。由于目前高转速、轻重量的发展趋势使涡轮泵的强度振动问题比较突出。涡轮泵的振动不仅影响到涡轮泵的工作稳定性还影响到涡轮泵疲劳寿命，因此有必要了解结构的固有频率和振型，为防止结构共振破坏、振动疲劳以及评价结构的动态特性和优化结构设计提供一定的依据。
模态分析分为干模态分析和湿模态分析两种方式。干模态分析在计算时通常忽略空气的作用，默认在真空条件下进行分析计算。湿模态问题主要考虑附加流体对于结构的振动特性影响，以及固体结构对流体的作用，是一种强流固耦合问题。对于工作在水介质环境中的涡轮泵系统来说，湿模态才是其动力学特性的真正表征。流体对结构的固有模态参数的影响主要为，在水介质中，涡轮泵壳体内表面，离心轮结构外表面会产生附粘水质量，也称为附加质量效应。要想得到在流场中涡轮泵结构的动力学特性就应该考虑上述因素对模态参数的影响，并且水介质中涡轮泵结构表面不仅会产生附加质量，而且会产生附加阻尼，附加阻尼的出现使涡轮泵结构的振动能量耗散加速，导致涡轮泵的固有频率发生变化。因此，涡轮泵结构的湿模态分析对涡轮泵的性能分析、动态设计都具有重要的意义。
目前对于涡轮泵系统模态分析的有限元仿真仅限于干模态，但是事实上在工作过程中，液体对于涡轮泵壳体和离心轮结构的模态是有很大影响的，在涡轮泵模态分析试验中也很难做到充浸液氧状态下的模态分析。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于有限元的涡轮泵湿模态分析方法，主要利用ANSYS有限元软件，通过APDL语言命令流和WORKBENCH模态分析模块分别对涡轮泵壳体充液和离心轮结构浸液状态下进行湿模态的分析研究，分析液体对结构固有频率和振型的影响，同时考虑工程状况下涡轮泵结构的充浸液氧状态，分析浸没介质对涡轮泵结构模态特性的影响，为防止结构的共振提供重要的动力学依据。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的主要步骤如下：
(1)对工程上提供的涡轮泵壳体模型进行简化，借助建模软件对涡轮泵壳体模型进行充液操作，要求液体域充满涡轮泵壳体空间，建立涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型，对工程上提供的离心轮结构模型进行简化，借助建模软件对离心轮结构模型进行浸液操作，要求离心轮结构完全浸没在液体中，建立离心轮结构浸液状态流固耦合模型，将模型导出为.x_t格式文件；
(2)将步骤(1)中导出的.x_t格式文件导入到ANSYS WORKBENCH软件中，定义材料属性，流体域材料设置为初始值，并在命令流中修改；
在涡轮泵壳体进出口及侧面孔洞上附加均布载荷，均布载荷数值即为涡轮泵壳体进出口及侧面孔洞上盖子的质量；
(3)对涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型和离心轮结构浸液状态流固耦合模型进行网格划分，且涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型和离心轮结构浸液状态流固耦合模型中，固液交界面处的网格单元尺寸一致，将流体和固体结构区域合并成一新体(Form NewPart)；
(4)在ANSYS WORKBENCH中，通过在Model模块下右键插入Named Selections创建命名区域，将流体域外表面命名为Outface，将流体域内表面命名为Interface，将流体域命名为Fluid Body，为之后命令流的识别做准备；
(5)在ANSYS WORKBENCH中通过在Modal模块下右键插入Commands创建命令流，定义流体材料，将流体部分改为流体单元，定义接触面为流固耦合单元，流体外表面边界压力为0；
(6)在ANSYS WORKBENCH中，在Analysis Settings模块下输入求解设置，设置频率提取阶数和求解频率范围，采用非对称矩阵法求解(Unsymmetric)进行模态的提取；
(7)提取步骤(6)的各阶频率及振型结果。
步骤2和步骤3中所述修改命令流的方法步骤如下：
(a)定义流体单元，一为fluid220单元，即六面体流体单元，一为fluid221单元，即四面体流体单元；
(b)定义充浸液体的流体参数，流体参数包括流体密度和声音在该流体中的传播速度；
(c)将涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型和离心轮结构浸液状态流固耦合模型中的流体部分修改为步骤(a)、(b)中定义的流体单元和充浸液体的流体参数，将步骤(4)中命名的Fluid Body部分修改为流体单元；
(d)打开fluid220单元的流固耦合功能，修改流固耦合处流体单元，使其具有流固耦合的能力，即：将步骤(4)中命名的Interface部分修改为具有流固耦合功能的流体单元；
(e)赋值流体边界处节点的压力自由度为零，即将步骤(4)中命名的Outface部分压力赋值为零。
本发明的有益效果在于提出了一种基于有限元的涡轮泵充浸液结构模态特性分析方法，充浸液介质分别为水和液氧。通过分析发现，充浸水状态湿模态分析频率比干状态降低百分之十左右，充浸液氧状态湿模态分析频率略低于浸水状态。说明充浸液介质通过改变结构的刚度和阻尼，对模型固有频率有一定的影响。本发明对于充浸液结构固有频率计算具有一定的通用性，且可以改变充浸液介质，获取工作状态下更加准确的结构固有频率和振型，为防止结构共振破坏、振动疲劳以及评价结构的动态特性和优化结构设计提供一定的依据。
附图说明
图1为本发明的涡轮泵壳体充液有限元模型。
图2为本发明的离心轮结构浸液有限元模型。
图3为本发明的涡轮泵壳体充液模型网格划分结果。
图4为本发明的离心轮结构浸液模型网格划分结果。
图5为本发明使用的部分命令流。
图6为本发明的涡轮泵壳体充水状态一阶模态频率及振型。
图7为本发明的离心轮结构浸水状态一阶模态频率及振型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明设计了一种基于有限元的涡轮泵湿模态分析方法。建模时需要建立流固耦合模型，其中的流体是理想流体，满足如下基本假设：
(1)流体是无黏可压缩的；
(2)声波振幅相对较窄，这样流体密度变化较小；
(3)声传播和热力学过程是绝热的。
分析中，为模拟涡轮泵壳体试验的真实充液状态和离心轮结构的真实浸液状态，建模中未对涡轮泵壳体和离心轮施加任何位移载荷，构成结构动力学有限元方程的质量距阵是非对称(Unsymmetry Structure)，因此在求解中需选用非对称模态算法。对于涡轮泵壳体和离心轮结构湿模态的计算，采用的是流固耦合，通过命令流定义声音在涡轮泵壳体所充液体和离心轮结构所浸液体中的声速及流体密度来实现的。
下面将参照附图和实例对本发明的具体实施方式进行更加详尽的说明，以使工程人员可以更加便捷的使用本发明，并推广到其他领域。实例中使用模型亦可换做其他模型。
一种基于有限元仿真的液体火箭发动机涡轮泵充浸液湿模态分析方法具体步骤如下：
(1)对工程上提供的涡轮泵壳体模型进行简化，借助建模软件对涡轮泵壳体模型进行充液操作，要求液体域充满涡轮泵壳体空间，建立涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型，对工程上提供的离心轮结构模型进行简化，借助建模软件对离心轮结构模型进行浸液操作，要求离心轮结构完全浸没在液体中，建立离心轮结构浸液状态流固耦合模型，将模型导出为.x_t格式文件；
(2)将步骤(1)中导出的.x_t格式文件导入到ANSYS WORKBENCH软件中，定义材料属性，流体域材料设置为初始值，并在命令流中修改；
试验中需要在涡轮泵壳体进出口及侧面孔洞上加盖防止液体流出，为模拟试验条件，在涡轮泵壳体进出口及侧面孔洞上附加均布载荷，均布载荷数值即为涡轮泵壳体进出口及侧面孔洞上盖子的质量；
(3)对涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型和离心轮结构浸液状态流固耦合模型进行网格划分，且涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型和离心轮结构浸液状态流固耦合模型中，固液交界面处的网格单元尺寸一致，将流体和固体结构区域合并成一新体(Form NewPart)，由于目前为止流体域和固体域都为固体单元，所以合并为一体后无需设置零件间接触关系。
(4)在ANSYS WORKBENCH中，通过在Model模块下右键插入Named Selections创建命名区域，将流体域外表面命名为Outface，将流体域内表面命名为Interface，将流体域命名为Fluid Body，为之后命令流的识别做准备；
(5)在ANSYS WORKBENCH中通过在Modal模块下右键插入Commands创建命令流，定义流体材料分别为水和液氧，将流体部分改为流体单元，定义接触面为流固耦合单元，流体外表面边界压力为0；
(6)在ANSYS WORKBENCH中，在Analysis Settings模块下输入求解设置，设置频率提取阶数和求解频率范围，采用非对称矩阵法求解(Unsymmetric)进行模态的提取；
(7)提取步骤(6)的各阶频率及振型结果。
步骤2和步骤3中所述修改命令流的方法步骤如下：
(a)定义流体单元，一为fluid220单元，即六面体流体单元，一为fluid221单元，即四面体流体单元；
(b)定义充浸液体的流体参数，流体参数包括流体密度和声音在该流体中的传播速度；
(c)将涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型和离心轮结构浸液状态流固耦合模型中的流体部分修改为步骤(a)、(b)中定义的流体单元和充浸液体的流体参数，将步骤(4)中命名的Fluid Body部分修改为流体单元；
(d)打开fluid220单元的流固耦合功能，修改流固耦合处流体单元，使其具有流固耦合的能力，即：将步骤(4)中命名的Interface部分修改为具有流固耦合功能的流体单元；
(e)赋值流体边界处节点的压力自由度为零，即将步骤(4)中命名的Outface部分压力赋值为零。
实施例如下：
(1)对工程上提供的涡轮泵壳体模型进行简化，去除不必要的倒角、圆孔、凸台，在不影响结构整体质量分布的前提下，便于网格划分。在SplaceClaim建模软件中使用填充(Fill)操作对涡轮泵壳体模型进行充液操作，建立充满涡轮泵壳体的水域三维几何模型。另外，为模拟试验条件，在涡轮泵壳体进出口及侧面孔洞上附加了均布载荷，附加质量大小如下表所示。所建立的涡轮泵壳体充液有限元模型如图1所示。
其中，A、B、C、D分别为涡轮泵壳体进出口及侧面孔洞位置。
对工程上提供的离心轮模型进行简化，去除不必要的倒角、圆孔、凸台，在不影响结构整体质量分布的前提下，便于网格划分。在SplaceClaim建模软件中使用包围(Enclosure)操作对离心轮结构模型进行浸液操作，建立包裹离心轮的水域三维几何模型如图2所示。
(2)将步骤(1)中建立的几何模型文件导入到ANSYS WORKBENCH软件中，在材料数据库中定义材料属性，将涡轮泵壳体和离心轮结构分别赋予材料如下表所示。流体域材料预先设置为工程钢，之后在步骤(5)中通过命令流修改。
零件 密度(kg/m<sup>3</sup>) 弹性模量(GPa) 泊松比
涡轮泵壳体 7850 200 0.3
离心轮 7930 210 0.31
(3)进行网格划分，具体采用协调分片四面体网格划分(Patch ConformingTetra)以考虑零件实体间的相互影响。采用单元尺寸控制(Sizing)，设置局部单元平均边长(Element Size)为8mm，确保局部网格细化。涡轮泵壳体充液模型网格划分结果如图3所示，离心轮结构浸液模型网格划分结果如图4所示。
为保持固液交界面处网格单元尺寸一致，将流体和固体结构区域合并成一新体(Form New Part)。由于目前为止流体域和固体域都为固体单元，所以合并为一体后无需设置零件间接触关系，之后会在命令流中修改流体单元。
(4)通过在Model模块下右键插入Named Selections创建命名区域，将流体域外表面命名为Outface，将流体域内表面命名为Interface，将流体域命名为Fluid Body，这么做是为了在之后的步骤(5)中通过命令流可以直接修改目前的单元属性。
(5)通过在Modal模块下右键插入Commands创建命令流，定义流体材料分别为水和液氧，将流体部分改为流体单元，定义接触面为流固耦合单元，流体外表面边界压力为0。部分命令流如图5所示。
通过命令流分析是本发明基于有限元分析湿模态的关键步骤，主要步骤为：
(a)定义流体单元，一为fluid220单元，即六面体流体单元，一为fluid221单元，即四面体流体单元。
(b)定义充浸液体的参数，通过定义流体密度和声音在流体中的传播速度来确定流体参数。在这里，水的密度为998kg/m3，声音在水中的传播速度为1450m/s。液氧的密度为1140kg/m3，声音在液氧中的传播速度为1624m/s。
(c)将模型中原来的流体部分修改为已经定义好单元属性和材料属性的流体单元，即将步骤(4)中命名的Fluid Body部分修改为流体单元。
(d)打开fluid220单元的流固耦合功能，修改流固耦合处流体单元，使其具有流固耦合的能力，即将步骤(4)中命名的Interface部分修改为具有流固耦合功能的流体单元。
(e)赋值流体边界处节点的压力自由度为零，即将步骤(4)中命名的Outface部分压力赋值为零。
(6)求解设置，由于流固耦合模型中生成的刚度矩阵和质量矩阵是不对称的，所以采用非对称矩阵法(Unsymmetric)进行模态的提取，设置频率提取阶数为10，求解频率范围为1Hz—5000Hz。
(7)提取各阶频率及振型结果。涡轮泵壳体充水状态一阶模态频率及振型如图6所示，离心轮结构浸水状态一阶模态频率及振型如图7所示。
由于本发明是研究涡轮泵自由状态下的模态参数，所以分析结果中前六阶为自由模态，都趋于零，不用考虑。真正的模态分析结果从第七阶开始查看。
为了更加明显的显示出充浸液状态对结构模态的影响，还可以做一次干模态分析。分析结果显示，充浸水湿模态频率比干模态频率要低百分之十左右，且阶数越高，差别越大，各阶振型则基本一致。充浸液氧状态下湿模态频率比充浸水湿模态频率略低，各阶振型基本一致。此分析结果表明，涡轮泵工作状态下，充浸液湿模态才是其动力学特性的真正表征，可以为防止结构共振、优化结构设计提供重要依据。

Claims (2)

1.一种基于有限元的涡轮泵充浸液湿模态分析方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)对工程上提供的涡轮泵壳体模型进行简化，借助建模软件对涡轮泵壳体模型进行充液操作，要求液体域充满涡轮泵壳体空间，建立涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型，对工程上提供的离心轮结构模型进行简化，借助建模软件对离心轮结构模型进行浸液操作，要求离心轮结构完全浸没在液体中，建立离心轮结构浸液状态流固耦合模型，将模型导出为.x_t格式文件；
(2)将步骤(1)中导出的.x_t格式文件导入到ANSYS WORKBENCH软件中，定义材料属性，流体域材料设置为初始值，并在命令流中修改；
在涡轮泵壳体进出口及侧面孔洞上附加均布载荷，均布载荷数值即为涡轮泵壳体进出口及侧面孔洞上盖子的质量；
(3)对涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型和离心轮结构浸液状态流固耦合模型进行网格划分，且涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型和离心轮结构浸液状态流固耦合模型中，固液交界面处的网格单元尺寸一致，将流体和固体结构区域合并成一新体(Form New Part)；
(4)在ANSYS WORKBENCH中，通过在Model模块下右键插入Named Selections创建命名区域，将流体域外表面命名为Outface，将流体域内表面命名为Interface，将流体域命名为Fluid Body，为之后命令流的识别做准备；
(5)在ANSYS WORKBENCH中通过在Modal模块下右键插入Commands创建命令流，定义流体材料，将流体部分改为流体单元，定义接触面为流固耦合单元，流体外表面边界压力为0；
(6)在ANSYS WORKBENCH中，在Analysis Settings模块下输入求解设置，设置频率提取阶数和求解频率范围，采用非对称矩阵法求解(Unsymmetric)进行模态的提取；
(7)提取步骤(6)的各阶频率及振型结果。
2.一种利用权利要求1所述的基于有限元的涡轮泵充浸液湿模态分析方法，其特征在于：
步骤2和步骤3中所述修改命令流的步骤如下：
(a)定义流体单元，一为fluid220单元，即六面体流体单元，一为fluid221单元，即四面体流体单元；
(b)定义充浸液体的流体参数，流体参数包括流体密度和声音在该流体中的传播速度；
(c)将涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型和离心轮结构浸液状态流固耦合模型中的流体部分修改为步骤(a)、(b)中定义的流体单元和充浸液体的流体参数，将步骤(4)中命名的Fluid Body部分修改为流体单元；
(d)打开fluid220单元的流固耦合功能，修改流固耦合处流体单元，使其具有流固耦合的能力，即：将步骤(4)中命名的Interface部分修改为具有流固耦合功能的流体单元；
(e)赋值流体边界处节点的压力自由度为零，即将步骤(4)中命名的Outface部分压力赋值为零。
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