CN113029620B - 轴-盘-叶片非轴对称旋转机械振动响应预测方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

轴-盘-叶片非轴对称旋转机械振动响应预测方法
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；
步骤3.5、采用ANSYS中多点约束(MPC184)单元或接触单元或共享节点方法将转轴-轮盘、轮盘-叶片之间进行连接，具体为：MPC184单元通过节点之间建立MPC184单元，将转轴-轮盘、轮盘-叶片进行连接；或接触单元通过面-面接触单元或线面接触单元，将转轴-轮盘、轮盘-叶片进行连接；或通过“NUMMRG”命令把不同零件在同一空间位置处重合的节点合并为一个节点，将转轴-轮盘、轮盘-叶片进行连接。
步骤3.6、基于广义连接单元和线性弹簧结合的技术建立轴承有限元模型，具体包括：
步骤3.6.1、在过轴承位置与转轴垂直的平面内，建立轴承节点和轴承接地节点；
步骤3.6.2、通过广义连接单元将轴承节点和转轴节点进行连接，只允许轴承节点和转轴节点存在绕旋转轴的相对转动，模拟轴承和转轴之间的相对转动；
步骤3.6.3、通过线性弹簧单元将轴承节点和轴承接地节点进行连接，模拟轴承的刚度和轴承阻尼；
步骤3.7、基于ANSYS接触单元，对叶片叶尖节点和机匣节点之间建立接触对；
步骤4、对轴-盘-叶片系统有限元模型施加约束和转速边界条件；
步骤4.1、对轴承接地节点和机匣接地节点进行全约束；
步骤4.2、将转速边界条件转换为旋转角位移边界，并施加在与电机相连的转子轴端节点上，实现轴-盘-叶片转子系统的自转，具体包括：
步骤4.2.1、计算任意时刻转子轴端节点应该转动的角位移函数
Figure BDA0002957352820000021
其中t为当前时刻时间，ω(t)为对应时刻下的转速；
步骤4.2.2、基于角位移函数
Figure BDA0002957352820000022
在ANSYS中创建表示角位移函数的“TABLE”；
步骤4.2.3、通过APDL命令流“D,Node,Lab,VALUE”在与电机相连的转子轴端节点上施加角位移，其中Node为节点编号，Lab为转子旋转轴方向，VALUE为步骤4.2.2中表示角位移函数的“TABLE”；
步骤5、对轴-盘-叶片系统有限元模型施加不平衡力；
步骤5.1、对轴-盘-叶片系统施加不平衡力，实现系统的涡动；若步骤3中，轮盘本身具有不平衡质量时，可忽略步骤5.1，能够自动实现系统的涡动；
步骤5.2、对轴-盘-叶片系统施加其他需求的外部载荷；
步骤6、通过Newmark数值迭代方法，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得到相应的振动响应特性。
技术效果
本发明整体解决了现有技术无法获取轴-盘-叶片非轴对称系统中叶片等非对称部分实时空间位置和振动响应的问题；解决了以往显示动力学方法严重依赖网格尺寸和时间步长且存在累计误差的问题；以及试验方法中对轴-盘-叶片类系统进行不对中、松动、碰摩、裂纹和失谐等各类故障部分零部件无法检测的问题。
与现有技术相比，本发明通过广义连接单元和线性弹簧结合的技术建立轴承单元，将转速边界条件转换为旋转角位移边界施加在与电机相连的转子轴端节点上的同时，考虑在轴-盘-叶片系统上施加不平衡力或者系统本身的不平衡质量，同时实现了轴-盘-叶片非轴对称系统的自转和涡动，进而获得系统任意点的振动响应；通过Newmark等数值迭代方法进行瞬态分析，降低了对网格尺寸和时间步长的依赖，且不存在累计误差。本发明能够极大降低试验成本且对各类故障的振动响应进行预测，如不对中、松动、碰摩、裂纹和失谐等各类故障，从而为轴-盘-叶片非轴对称系统的故障诊断提供参考。
附图说明
图1为实施例中轴-盘-叶片非轴对称旋转机械振动响应预测方法流程图；
图2为实施例中轴-盘-叶片非轴对称旋转机械各零部件结构尺寸和位置信息示意图；
图3为实施例中转轴有限元建模过程图；
图中：(a)为转轴几何模型，(b)为转轴梁单元有限元模型；
图4为实施例中轮盘有限元建模过程图；
图中：(a)为轮盘几何模型，(b)为轮盘壳单元有限元模型；
图5为实施例中叶片有限元建模过程图；
图中：(a)为叶片几何模型，(b)为叶片梁单元有限元模型；
图6为实施例中基于集中质量单元和线性弹簧的机匣有限元模型；
图7为实施例中转轴-轮盘和轮盘-叶片的连接方法；
图8为实施例中轴承有限元建模过程图；
图中：(a)为YZ平面内轴承刚度和轴承阻尼，(b)为XY平面内轴承刚度和轴承阻尼；
图9为实施例中叶尖节点和机匣节点接触对建立过程；
图10为实施例中含叶尖碰摩故障的振动响应图；
图中：(a)为仿真和试验的与轮盘位置相对应转轴节点Z方向的无量纲位移，(b)为(a)中仿真获得的频谱，(c)为(a)中试验获得的频谱。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种轴-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信息及位置信息，如表1所示；
所述的零部件包括：转轴、轮盘、叶片、轴承和机匣；
所述的简化后结构尺寸信息包括：转轴、轮盘、叶片、轴承和机匣的结构尺寸；
所述的位置信息包括：轴承在转轴上的位置以及轮盘在转轴上的位置。
表1轴-盘-叶片非轴对称旋转机械各零部件尺寸及位置信息
Figure BDA0002957352820000041
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，如表2和表3所示；
所述的材料参数包括密度、杨氏模量和泊松比。
所述的物理参数包括：轴承刚度和轴承阻尼、机匣刚度和机匣阻尼以及机匣支撑刚度和机匣支撑阻尼。
表2轴-盘-叶片非轴对称旋转机械各零部件的材料参数
Figure BDA0002957352820000042
表3轴-盘-叶片非轴对称旋转机械各零部件的物理参数
Figure BDA0002957352820000051
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、根据表1中转轴尺寸、轮盘在转轴上的位置、轴承在转轴上的位置将转轴分为多段，并根据表2中转轴的材料参数，根据需求采用实体(SOLID)单元或者梁(BEAM)单元建立转轴的有限元模型；
本实施例中采用梁(BEAM)单元对转轴进行建模，如图3所示，将转轴分为14段，左轴承位于第1段的右节点位置，轮盘位于第8段的右节点位置，右轴承位于第13段的右节点位置，电机与第14段右节点相连；
步骤3.2、根据表1中的轮盘尺寸和在转轴上的位置信息，并根据表2轮盘的材料参数，根据需求采用实体(SOLID)单元、壳(SHELL)单元或者集中质量(MASS)单元建立轮盘的有限元模型；
本实施例中采用壳(SHELL)单元对轮盘进行有限元建模，如图4所示；
步骤3.3、根据表1中叶片尺寸和在转轴上的位置信息，并根据表2中的叶片材料参数，根据需求采用实体(SOLID)单元、壳(SHELL)单元或者梁(BEAM)单元建立叶片的有限元模型；
本实施例中采用梁(BEAM)单元对叶片进行有限元建模，如图5所示；
步骤3.4、根据表1中的简化后机匣结构信息和表2中的机匣其他物理参数，根据需求采用实体(SOLID)单元、壳(SHELL)单元、梁(BEAM)单元或者集中质量(MASS)单元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；
本实施例中采用集中质量(MASS21)单元建立机匣的有限元模型，采用线性弹簧(COMBIN14)单元模拟机匣刚度和机匣阻尼，并采用线性弹簧(COMBIN14)单元连接机匣和机匣接地节点来模拟机匣支撑刚度和支撑阻尼，如图6所示；考虑机匣和叶片之间的接触作用，在执行步骤3.4后继续执行步骤3.7；
步骤3.5、采用MPC184单元、接触单元和共享节点方法将转轴-轮盘、轮盘-叶片之间进行连接；
本实施例中采用MPC184单元将转轴内圈节点和转轴节点进行连接，采用共享节点方法将轮盘-叶片之间进行连接，忽略叶片在轮盘中的滑移，如图7所示；
步骤3.6、基于广义连接单元和线性弹簧结合的技术模拟轴承元件，如图8所示，具体包括：
步骤3.6.1、在过轴承位置与转轴垂直的平面内，建立轴承节点和轴承接地节点；
步骤3.6.2、通过广义连接单元(MPC184)将轴承节点和转轴节点进行连接，只允许轴承节点和转轴节点存在绕旋转轴的相对转动，模拟轴承和转轴之间的相对转动；
步骤3.6.3、通过线性弹簧单元(COMBI214)将轴承节点和轴承接地节点进行连接，模拟轴承Y和Z方向的刚度和轴承阻尼；通过线性弹簧单元(COMBIN14)将轴承节点和轴承接地节点进行连接，模拟轴承X方向的刚度和轴承阻尼；
步骤3.7、基于ANSYS接触单元，对叶片叶尖节点和机匣节点之间建立接触对，模拟叶片和机匣之间的相互作用；
本实施例中基于ANSYS接触单元(CONTA178)，对每个叶片叶尖节点和机匣节点之间建立接触对，如图9所示；
步骤4、对轴-盘-叶片系统有限元模型施加边界条件，实现非轴对称旋转机械的自转，具体包括：
步骤4.1、对轴承接地节点和机匣接地节点进行全约束；
步骤4.2、将转速边界条件转换为旋转角位移边界，并施加在与电机相连的转子轴端节点上，实现轴-盘-叶片转子系统的自转，具体包括：
步骤4.2.1、计算任意时刻转子轴端节点应该转动的角位移函数
Figure BDA0002957352820000061
其中t为当前时刻时间，ω(t)为对应时刻下的转速；
步骤4.2.2、基于角位移函数
Figure BDA0002957352820000062
在ANSYS中创建表示角位移函数的“TABLE”；
步骤4.2.3、通过APDL命令流“D,Node,Lab,VALUE”在与电机相连的转子轴端节点上施加角位移，其中Node为节点编号，Lab为转子旋转轴方向，VALUE为步骤4.2.2中表示角位移函数的“TABLE”；
步骤5、对轴-盘-叶片系统有限元模型施加外部载荷，具体包括：
步骤5.1、对轴-盘-叶片系统施加不平衡力，实现系统的涡动，不平衡力具体表达式为：
Figure BDA0002957352820000071
其中：Fy为y方向不平衡力，Fz为z方向不平衡力，mr为不平衡量，ω为转速，t为时间；若步骤3中，非轴对称旋转机械本身具有不平衡质量时，可忽略步骤5.1，能够自动实现系统的涡动；
步骤5.2、对轴-盘-叶片系统施加其他需求的外部载荷(如有)；
步骤6、通过Newmark数值迭代方法，对轴-盘-叶片系统进行叶尖碰摩故障的瞬态分析，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。
在转速为ω＝984rev/min(转频fr＝16.4Hz)对轴-盘-叶片系统进行碰摩故障分析，其中不平衡量mr＝2.2×10-2kg·m，图1中初始间隙g0＝(z0-50×10-6)m，z0为叶尖在无碰摩情况下Z方向的最大位移；并与试验进行了对比，如图10所示，仿真与试验结果基本吻合，验证了本发明方法的正确性，说明本发明能够准确预测轴-盘-叶片非轴对称旋转机械的振动响应。
本发明基于广义连接单元和线性弹簧结合的技术模拟轴承元件，并通过将转速边界条件转换为旋转角位移边界，并施加在与电机相连的转子轴端节点上，实现轴-盘-叶片转子系统的自转，通过对轴-盘-叶片系统施加不平衡力，实现系统的涡动，最终同时实现系统的自转和涡动。
与现有技术相比，本发明无需将非对称部分简化为集中质量，通过实现轴-盘-叶片非轴对称系统的自转和公转，就能获取非对称部分的振动响应；通过Newmark数值迭代方法进行瞬态分析，降低了对网格尺寸和时间步长的依赖，且不存在累计误差，能够极大降低试验成本且对各类故障的振动响应进行预测，如不对中、松动、碰摩、裂纹和失谐各类故障，从而为轴-盘-叶片非轴对称系统的故障诊断提供参考。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (3)

1.一种轴-盘-叶片非轴对称旋转机械振动响应预测方法，其特征在于，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；
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；
所述的材料参数包括密度、杨氏模量和泊松比；所述的物理参数包括：轴承刚度和轴承阻尼、机匣刚度和机匣阻尼以及机匣支撑刚度和机匣支撑阻尼；
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；
步骤3.5、采用ANSYS中MPC184单元或接触单元或共享节点方法将转轴-轮盘、轮盘-叶片之间进行连接，具体为：MPC184单元通过节点之间建立MPC184单元，将转轴-轮盘、轮盘-叶片进行连接；或接触单元通过面-面接触单元或线面接触单元，将转轴-轮盘、轮盘-叶片进行连接；或通过“NUMMRG”命令把不同零件在同一空间位置处重合的节点合并为一个节点，将转轴-轮盘、轮盘-叶片进行连接；
步骤3.6、基于广义连接单元和线性弹簧结合的技术建立轴承有限元模型；
步骤3.7、基于ANSYS接触单元，对叶片叶尖节点和机匣节点之间建立接触对；
步骤4、对轴-盘-叶片系统有限元模型施加约束和转速条件；
步骤4.1、对轴承接地节点和机匣接地节点进行全约束；
步骤4.2、将转速边界条件转换为旋转角位移边界，并施加在与电机相连的转子轴端节点上，实现轴-盘-叶片转子系统的自转；
步骤5、对轴-盘-叶片系统有限元模型施加不平衡力；
步骤5.1、对轴-盘-叶片系统施加不平衡力，实现系统的涡动；若步骤3中，轮盘本身具有不平衡质量时，可忽略步骤5.1，能够自动实现系统的涡动；
步骤5.2、对轴-盘-叶片系统施加其他需求的外部载荷；
步骤6、通过Newmark数值迭代方法，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得到相应的振动响应特性。
2.根据权利要求1所述的轴-盘-叶片非轴对称旋转机械振动响应预测方法，其特征是，所述的步骤3.6，具体包括：
步骤3.6.1、在过轴承位置与转轴垂直的平面内，建立轴承节点和轴承接地节点；
步骤3.6.2、通过广义连接单元将轴承节点和转轴节点进行连接，只允许轴承节点和转轴节点存在绕旋转轴的相对转动，模拟轴承和转轴之间的相对转动；
步骤3.6.3、通过线性弹簧单元将轴承节点和轴承接地节点进行连接，模拟轴承的刚度和轴承阻尼。
3.根据权利要求1所述的轴-盘-叶片非轴对称旋转机械振动响应预测方法，其特征是，所述的步骤4.2，具体包括：
步骤4.2.1、计算任意时刻转子轴端节点应该转动的角位移函数
Figure FDA0003335343230000021
其中t为当前时刻时间，ω(t)为对应时刻下的转速；
步骤4.2.2、基于角位移函数
Figure FDA0003335343230000022
在ANSYS中创建表示角位移函数的“TABLE”；
步骤4.2.3、通过APDL命令流“D,Node,Lab,VALUE”在与电机相连的转子轴端节点上施加角位移，其中Node为节点编号，Lab为转子旋转轴方向，VALUE为步骤4.2.2中表示角位移函数的“TABLE”。
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