CN113657007A - 一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统及方法，包括：构件录入单元、数据采集单元和分析计算单元，构件录入单元用于将柴油发电机组的构件的规格数据以及对应的三维模型进行录入并传输至数据存储单元中进行存储，数据采集单元用于对实际工作中的同规格柴油发电组的工况进行数据采集并将其传输至数据存储单元，分析计算单元用于对录入的构件进行应力分析并进行低周疲劳寿命拟合，通过设置构件录入单元将柴油发电机的构件进行规格录入，数据采集单元进行采集时，针对柴油发电机组的两种工作状态进行区分，在分析计算单元进行分析计算时，会根据两种工作状态选择不同的数据处理方式，得出的计算结果更具有真实性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种疲劳寿命分析系统，具体为一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统及方法。
背景技术
发电机是人们日常生活生产中的不可或缺的设备，大到水电站的大型发电机组，小到家庭自用的小型柴油或汽油发电机组，在进行发电和应急电力供应中起到了重要作用。
发电机组的主要组成部分包括定子结构、转子机构、以及一些运动构件，比如轴承、活塞气缸等，这些构件有的价格昂贵，在发电机制造的过程中需要对重要的昂贵部件进行应力分析，提高其寿命，现有的分析系统和方法只利用其常规工作数据对其进行分析计算，但是在实际使用环境下，往往会伴随着不稳定的外在因素影响，为了获取更加准确的分析结果，我们提供一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统及方法。
本发明所解决的技术问题为：
(1)如何通过将柴油发电机组的工作状态进行区分并采集其不同工作状态下的数据，从而使计算得到的疲劳寿命更为真实准确，使数据更具有参考价值；
(2)如何通过对主要构件进行分析，包括柴油机缸体、转子绕组、定子绕组和曲轴，并将分析的低周疲劳寿命与设计寿命进行比对，为柴油发电组的构件结构和工艺改进提供数据支撑，分析效率高，节省人力成本，也保证了柴油发电机组后续的工作稳定性。
本发明可以通过以下技术方案实现：一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统，包括：构件录入单元、数据采集单元和分析计算单元，构件录入单元用于将柴油发电机组的构件的规格数据以及对应的三维模型进行录入并传输至数据存储单元中进行存储，数据采集单元用于对实际工作中的同规格柴油发电组的工况进行数据采集并将其传输至数据存储单元，分析计算单元用于对录入的构件进行应力分析并进行低周疲劳寿命拟合。
本发明的进一步技术改进在于：构件录入单元将发电机结构中的构件分为固定构件与运动构件，固定构件包括定子绕组和柴油机活塞缸体，运动构件包括转子绕组、以及柴油机曲轴。
本发明的进一步技术改进在于：数据采集单元在进行数据采集的过程中，将柴油发电机组的工作状态分为两种，分别为冷启动状态和热工作状态。
本发明的进一步技术改进在于：分析计算单元将对应构件导入至有限元软件中，并对其进行材料规格限定，以便真实产生分布的应力数据。
本发明的进一步技术改进在于：在冷启动状态下，构件的温度变化快，产生的热冲击应力大于热应力，且此状态下的机械振动大于热工作状态下的机械振动。
本发明的进一步技术改进在于：分析计算单元在分析计算柴油机活塞缸的低周疲劳寿命时，在活塞缸缸体上选取多个数据取样点，数据取样点的选择根据热工作状态下柴油机活塞缸体的内部结构不同功能部分划分。
本发明的进一步技术改进在于：柴油机活塞缸的热应力和机械应力分别通过应力寿命曲线拟合后，得到热应力低周疲劳寿命和机械应力低周疲劳寿命，通过公式进行整合计算后得到综合低周疲劳寿命。
本发明的进一步技术改进在于：定子绕组和转子绕组通过切割磁场产生方向往复切换的电流，并产生洛伦兹力，并求出平均洛伦兹力，将其作为循环应力拟合出低周疲劳寿命。
本发明的进一步技术改进在于：柴油机曲轴的热冲击应力低周疲劳寿命计算方式与柴油机活塞缸缸体的计算方式相同，将其不同径向上的压力值作为轴颈压力分布数据，然后在有限元分析软件进行加载得到循环挤压应力分布数据，并最终得到综合低周疲劳寿命。
一种发电机结构的低周疲劳寿命分析方法主要包括以下步骤：
步骤一：选取并确定发电机结构中的重要工作构件，并通过构件录入单元将相关构件的规格数据和对应三维模型录入并进行存储；
步骤二：数据采集单元中通过各类传感器获取柴油发电机两种工作状态下的工作数据并传输至数据存储单元进行存储；
步骤三：分析计算单元提取对应数据进行分析计算，并通过有限元分析软件得到对应的应力分布数据，然后运用应力寿命曲线进行拟合得到对应的低周疲劳寿命。
有益效果：通过设置构件录入单元将柴油发电机的构件分为固定构件和运动构件并进行规格录入，数据采集单元进行采集时，针对柴油发电机组的两种工作状态进行区分，在分析计算单元进行分析计算时，会根据两种工作状态选择不同的数据处理方式，得出的计算结果更具有真实性和准确性，为后续的改进提升提供可靠的数据支撑。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的系统原理框图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
请参阅图1所示，一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统及方法，包括构件录入单元、数据采集单元、数据存储单元和分析计算单元；
发电机结构中包含固定构件和运动构件，固定构件包括定子绕组和柴油机活塞缸体，运动构件包括转子绕组、以及柴油机曲轴，构件录入单元将相应的固定构件和运动构件规格数据以及对应的三维模型进行录入并传输至数据存储单元中进行存储；
数据采集单元用于对实际工作中的同规格柴油发电组的工况进行数据采集并将其传输至数据存储单元，工作状态分为两种情况：分别为冷启动状态和热工作状态；多次采集两种状态下柴油机活塞缸体的温度分布数据和振动分布数据，定子绕组在振荡过程中产生电流激荡数据，转子绕组的实时电流数据、柴油机曲轴的轴颈压力分布数据和温度分布数据，其中，温度分布数据和振动分布数据是指在活塞缸缸体上选取多个数据取样点，多个数据取样点的选择根据热工作状态下柴油机活塞缸体的内部结构不同功能部分划分，例如入气口、喷油口、排气口以及燃烧做功段，轴颈压力分布数据表示曲轴轴颈部分受到不同活塞杆的推力分布情况，曲轴的温度分布数据表示曲轴的不同轴段的温度分布情况，电流激荡数据时由于机械振动导致定子绕组与磁场相对运动产生的激荡电流；
分析计算单元用于对录入的构件进行应力分析并进行低周疲劳寿命拟合，具体为：
步骤一：从数据存储单元中提取对应构件的三维模型并将其导入至有限元分析软件中，并在有限元分析软件中对其材料规格进行限定；
步骤二：先对冷启动状态下的构件的应力情况进行分析，将柴油机活塞缸此状态下多次采集的温度分布数据进行温变速率计算，即建立虚拟的平面直角坐标系，建立温度-时间曲线，并选取若干个时间节点，时间节点的选择依据柴油发电机的转速确定，连接温度-时间曲线上的两个相邻时间节点,从而得到连接线段的斜率数据，将此斜率数据标记为对应两个时间节点间的温度变化速率，将温度变化速率导入到有限元分析软件中，并施加在三维模型中对应的取样点上进行加载模拟，得到冷启动状态下的热冲击应力分布数据A1；
将柴油机活塞缸冷启动状态下的多次采集的振动分布数据进行平均值计算，得到平均振动分布数据，将各个取样点的平均振动分布数据通过有限元分析软件加载在三维模型的对应位置，得到冷启动状态下机械振动应力分布数据B1；
步骤三：对热工作状态下的构件的应力情况进行分析，将柴油机活塞缸此状态下多次采集的温度应力情况分布数据和振动分布数据进行平均值计算，并将结果导入至有限元分析软件中进行模拟，得到热工作状态下的热应力分布数据A2和机械振动应力分布数据B2；
步骤四：对柴油机活塞缸的两种工作状态的产生的应力进行计算整合，通过计算式：柴油机活塞缸热应力＝a*A1+b*A2，得到柴油机活塞缸热应力，其中，a表示冲击应力转化系数，b为热应力匹配系数，且a和b均为预设值，根据计算式：柴油机活塞缸机械应力＝c*B1+d*B2，得到柴油机活塞缸机械应力，其中，c表示冷启动振动应力匹配系数，d表示热工作振动应力匹配系数；
步骤五：将柴油机活塞缸热应力和柴油机活塞缸机械应力，分别与对应的应力寿命曲线进行拟合，得到热应力低周疲劳寿命和机械应力低周疲劳寿命，通过计算式：综合低周疲劳寿命＝热应力低周疲劳寿命*热应力影响占比系数+机械应力低周疲劳寿命*机械应力影响占比系数得到综合低周疲劳寿命，其中，热应力影响占比系数+机械应力影响占比系数小于1；
步骤六：针对定子绕组的电流激荡数据和转子绕组的实时电流数据，在切割磁场时产生的电流方向是反复切换的，电流方向的切换导致其受到洛伦兹力作用，根据电流大小计算出洛伦兹力的大小，从而得到平均洛伦兹力，将平均洛伦兹力标记为循环应力，并通过应力寿命曲线拟合出定子绕组和转子绕组的低周疲劳寿命；
步骤七：针对柴油机曲轴的温度分布数据，与步骤二的方法相同，得出柴油机曲轴的热冲击应力低周疲劳寿命，针对柴油机曲轴的轴颈压力分布数据，由于柴油发动机活塞杆的冲程和回程均在曲轴转动到一定的角度时完成，所以当转速一定时，曲轴的不同径向上受到的压力维持在一个相对稳定的压力值，这个压力值即为曲轴的轴颈压力分布数据，不同径向上的压力值取平均值然后在有限元分析软件进行加载得到循环挤压应力分布数据，最终通过应力寿命曲线拟合得出循环挤压应力低周疲劳寿命，如步骤五中的操作，求出曲轴的综合低周疲劳寿命。
分析计算单元得出的对应构件的低周疲劳寿命与对应构件的设计使用寿命进行比对，从而为后续工作人员对构件的结构和工艺改进提供数据支撑。
该发电机结构的低周疲劳寿命的分析方法主要包括：
步骤一：选取并确定发电机结构中的重要工作构件，并通过构件录入单元将相关构件的规格数据和对应三维模型录入并传输至数据存储单元中进行存储；
步骤二：数据采集单元中包括各类具有测温测压功能的压力传感器，通过各类传感器获取柴油发电机两种工作状态下的工作数据并传输至数据存储单元进行存储，包括柴油机活塞缸体的温度分布数据和振动分布数据、定子绕组的电流激荡数据，转子绕组的实时电流数据和柴油机曲轴的轴颈压力分布数据和温度分布数据；
步骤三：分析计算单元从数据存储单元中提取对应数据进行分析计算，并通过有限元分析软件得到对应的应力分布数据，然后运用应力寿命曲线进行拟合得到对应的低周疲劳寿命，工作人员根据低周疲劳寿命与构件的设计使用寿命进行对比，从而对构件的结构和工艺进行改进。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统，其特征在于，包括：
构件录入单元、数据采集单元和分析计算单元，构件录入单元用于将柴油发电机组的构件的规格数据以及对应的三维模型进行录入并传输至数据存储单元中进行存储，数据采集单元用于对实际工作中的同规格柴油发电组的工况进行数据采集并将其传输至数据存储单元，分析计算单元用于对录入的构件进行应力分析并进行低周疲劳寿命拟合。
2.根据权利要求1所述的一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统，其特征在于，构件录入单元将发电机结构中的构件分为固定构件与运动构件，固定构件包括定子绕组和柴油机活塞缸体，运动构件包括转子绕组、以及柴油机曲轴。
3.根据权利要求1所述的一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统，其特征在于，数据采集单元在进行数据采集的过程中，将柴油发电机组的工作状态分为两种，分别为冷启动状态和热工作状态。
4.根据权利要求1所述的一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统，其特征在于，分析计算单元将对应构件导入至有限元软件中，并对其进行材料规格限定，以便真实产生分布的应力数据。
5.根据权利要求3所述的一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统，其特征在于，在冷启动状态下，构件的温度变化快，产生的热冲击应力大于热应力，且此状态下的机械振动大于热工作状态下的机械振动。
6.根据权利要求1所述的一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统，其特征在于，分析计算单元在分析计算柴油机活塞缸的低周疲劳寿命时，在活塞缸缸体上选取多个数据取样点，数据取样点的选择根据热工作状态下柴油机活塞缸体的内部结构不同功能部分划分。
7.根据权利要求6所述的一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统及方法，其特征在于，柴油机活塞缸的热应力和机械应力分别通过应力寿命曲线拟合后，得到热应力低周疲劳寿命和机械应力低周疲劳寿命，通过公式进行整合计算后得到综合低周疲劳寿命。
8.根据权利要求1所述的一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统，其特征在于，定子绕组和转子绕组通过切割磁场产生方向往复切换的电流，并产生洛伦兹力，并求出平均洛伦兹力，将其作为循环应力拟合出低周疲劳寿命。
9.根据权利要求7所述的一种发电机结构的低周疲劳寿命分析系统，其特征在于，柴油机曲轴的热冲击应力低周疲劳寿命计算方式与柴油机活塞缸缸体的计算方式相同，将其不同径向上的压力值作为轴颈压力分布数据，然后在有限元分析软件进行加载得到循环挤压应力分布数据，并最终得到综合低周疲劳寿命。
10.一种发电机结构的低周疲劳寿命分析方法，其特征在于，该方法主要包括以下步骤：
步骤一：选取并确定发电机结构中的重要工作构件，并通过构件录入单元将相关构件的规格数据和对应三维模型录入并进行存储；
步骤二：数据采集单元中通过各类传感器获取柴油发电机两种工作状态下的工作数据并传输至数据存储单元进行存储；
步骤三：分析计算单元提取对应数据进行分析计算，并通过有限元分析软件得到对应的应力分布数据，然后运用应力寿命曲线进行拟合得到对应的低周疲劳寿命。
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