CN113868797A - 一种叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计方法,采用三维有限元建模方法建立叶盘结构的定量分析模型,采用复特征值分析方法获得叶盘固有频率的虚部随转速的变化曲线,利用所获得的曲线与激励频率随转速变化曲线的交点以及多个模态下的响应幅值的最大值确定调谐质量阻尼器阵列的工作转速与固有频率,依此进行调谐质量阻尼器阵列中振子的结构参数设计,实现叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计。本发明方法为调谐质量阻尼器阵列的匹配动态设计提供一种有效方法,为调谐质量阻尼器阵列在叶盘减振中的应用提供保障。
Description
技术领域
本发明属于减振结构动态设计领域,更具体地说是涉及一种叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计方法。
背景技术
叶盘是指在轮盘周边分布有叶片的构件,叶盘是很多大型旋转机械中的核心部件,其性能在很大程度上决定了旋转机械的性能。叶盘往往运行在恶劣工况下,工况多变、振动形式复杂、激励频带宽。随着设计性能的不断提升,叶盘振动问题日益突出,已成为阻碍其性能持续提升的一大障碍。近年来,叶盘的振动控制问题成为国内外研究的热点,已出现有摩擦阻尼环、硬涂层阻尼、压电阻尼等各种振动控制方法,但这些方法存在着减振效果不理想、实施难度大、难以适应叶盘复杂恶劣运行环境等问题。摩擦阻尼环的减振效果依赖于叶片与轮盘的振动耦合,由于轮盘的振幅往往较低,且对失谐较不敏感,导致摩擦阻尼环的减振效果不够理想;摩擦阻尼环的安装方式导致其易脱落,影响装备的安全;硬涂层阻尼需要在叶片表面涂敷阻尼涂层,这会影响叶盘的气动性能,也会加大整体叶盘设计与制造的难度,在实际应用中具有一定的难度。压电阻尼在实施中需要多种电子元器件组成电路,在叶盘的复杂恶劣运行环境下,保证电子元器件长期可靠工作存在较大难度。
发明内容
本发明为避免上述现有技术所存在的问题,提供一种叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计方法,通过动态设计实现叶盘与调谐质量阻尼器阵列的匹配,为调谐质量阻尼器阵列在叶盘减振中的应用提供保障。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
本发明叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计方法的特点是:采用三维有限元建模方法建立叶盘结构的定量分析模型,采用复特征值分析方法获得叶盘固有频率的虚部随转速的变化曲线,进而通过所获得的曲线与激励频率随转速变化曲线的交点以及多个模态下的响应幅值的最大值确定调谐质量阻尼器阵列的工作转速与固有频率,依此进行调谐质量阻尼器阵列中振子的结构参数设计。
本发明叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计方法的特点也在于:所述叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的结构形式是:
所述叶盘是在轮盘的周边分布有叶片;所述调谐质量阻尼器阵列是由环状支撑结构和调谐质量阻尼器振子构成,所述调谐质量阻尼器振子沿圆周固定在环状支撑结构中,环状支撑结构贴合在轮盘的内侧壁上;利用调谐质量阻尼器振子在减振频率范围内吸收叶盘结构的部分能量,降低叶盘的振动幅值;所述调谐质量阻尼器振子是将质量块由弹性梁以悬伸的形式固定在环状支撑结构中,由质量块的质量和弹性梁的刚度共同决定振子固有频率;所述环状支撑结构为环形框架结构,是由内环框、外环框和隔板构成多个周向分布的容腔,调谐质量阻尼器振子设置在各容腔中;所述调谐质量阻尼器阵列是以过盈配合的方式装配在轮盘的内表面,在叶盘的运行中,调谐质量阻尼器阵列保持与轮盘相贴合。
本发明叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计方法的特点是按如下步骤进行:
步骤1、按如下方式计算获得叶盘前S阶固有频率的虚部随转速的变化曲线,并确定调谐质量阻尼器阵列的减振点:
步骤1.1:采用三维有限元建模方法建立叶盘结构的定量分析模型,由有限元软件分别导出叶盘模型的质量矩阵M、弹性刚度矩阵Ke、科氏力矩阵Ccor、旋转软化矩阵Kd和与叶盘转速Ω相关的应力钢化矩阵Ks(Ω),建立叶盘结构自由振动的动力学方程如式(1):
式(1)中:
根据叶盘运行中的最大转速Ωmax,在0-Ωmax的转速范围内等间隔取p个点的转速,得到一个转速序列,p不小于5;采用复特征值分析方法由式(2)计算获得各转速下的叶盘的前S阶复特征值λ,S为复特征值分析中最大模态阶数;
(λA+B)φ=0 (2)
式(2)中:
根据叶盘的前S阶复特征值λ计算获得前S阶固有频率f为:f=λ/2π;
将各转速下的固有频率统一取虚部,得到叶盘前S阶固有频率的虚部随转速的变化曲线;
步骤1.2:针对具有1-N节径模态的叶盘结构,依次计算各节径n模态对应的固有频率随转速的变化曲线与直线Fn的交点(Ωn,fn),直线Fn为:Fn=nΩ,Ω为叶盘转速,Ωn为叶盘发生n节径模态共振时的转速,fn为n节径共振固有频率,n=1,2,…,N;
步骤1.3:针对1-N节径模态,采用式(3)一一对应计算获得叶盘结构在转速Ωn下的振动幅值An,n=1,2,…,N,计算中施加在叶片上的简谐激励的幅值为1,频率为fn;
An=[Ke-Ωn 2Kd+Ks(Ωn)+(2πfn)ΩnCcor-(2πfn)2M]-1F0 (3)
式(3)中:
F0为外载荷幅值向量;
针对各振动幅值A1,A2,…,AN取最大幅值Am,并取对应于最大幅值Am的交点(Ωm,fm)为调谐质量阻尼器阵列的减振点,即有减振点(Ωm,fm);
步骤2:根据减振点(Ωm,fm)按如下方式设计调谐质量阻尼器阵列结构,使得调谐质量阻尼器阵列中的振子在Ωm转速下具有与fm大小相等的振子固有频率;
步骤2.1:根据质量比μ与调谐质量阻尼器振子的个数z确定单个调谐质量阻尼器振子的质量并记为:单个振子质量mr,所述质量比μ为调谐质量阻尼器阵列结构中所有振子总质量与叶盘质量之比;
步骤2.2:根据单个振子质量mr和频率fm,确定弹性梁的刚度kr,kr=(2πfm)2mr,并对弹性梁的结构尺寸进行初步设计,得到质量块和弹性梁的初步结构尺寸;
步骤2.3:在质量块和弹性梁的初步结构尺寸的基础之上,按如下方式针对质量块和弹性梁的结构尺寸进行精细化迭代设计,使得振子的固有频率与频率fm的差别小于频率设计误差允许值:
采用三维有限元建模方法构建调谐质量阻尼器振子的有限元模型,得到与式(1)具有相同形式的振子结构的自由振动动力学方程;通过对Ωm转速下的振子模型复特征值的分析,计算获得振子的第一阶固有频率的虚部fosc;
若满足设计要求,则停止迭代;
若不满足设计要求,则调整弹性梁的结构尺寸,再次计算获得振子在Ωm转速下的固有频率的虚部fosc,直到满足设计要求;
所述设计要求设定为:|fosc-fm|<ε,ε为频率设计误差允许值;
步骤2.4:依据步骤2.3所获得的质量块和弹性梁的结构尺寸,确定调谐质量阻尼器阵列结构中的支撑结构。
本发明叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计方法的特点也在于:采用有限元方法对所述支撑结构的强度进行校核,通过增加内环框、外环框和隔板的厚度增加支撑结构强度。
与现有技术相比,本发明有益效果体现在:
1、本发明为叶盘减振结构中的调谐质量阻尼器阵列的结构设计提供了一种高效和定量的设计方法,通过动态设计快速实现叶盘与调谐质量阻尼器阵列的匹配
2、本发明方法简单、快捷,便于在工程实际中进行应用。
附图说明
图1为本发明中安装有调谐质量阻尼器阵列的叶盘结构示意图;
图2为本发明中叶盘结构的有限元模型;
图3为本发明中叶盘固有频率的虚部随转速的变化曲线;
图4为本发明中叶盘结构的4节径模态固有频率的虚部随转速的变化曲线;
图5为本发明中叶盘结构的5节径模态固有频率的虚部随转速的变化曲线;
图6为本发明中叶盘结构的6节径模态固有频率的虚部随转速的变化曲线;
图7为本发明方法针对叶盘结构的5节径模态固有频率设计的调谐质量阻尼器阵列;
图8为叶盘在安装本发明方法设计的调谐质量阻尼器阵列前后振动响应曲线图。
图中标号:1叶盘,1a叶片、1b轮盘,2环状调谐质量阻尼器阵列,2a环状支撑结构,2b调谐质量阻尼器振子。
具体实施方式
本实施例中叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计方法是:采用三维有限元建模方法建立叶盘结构的定量分析模型,采用复特征值分析方法获得叶盘固有频率的虚部随转速的变化曲线,进而通过所获得的曲线与激励频率随转速变化曲线的交点以及多个模态下的响应幅值的最大值确定调谐质量阻尼器阵列的工作转速与固有频率,依此进行调谐质量阻尼器阵列中振子的结构参数设计。
图1所示为叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的结构:叶盘1是在轮盘1b的周边一体化设置有叶片1a;调谐质量阻尼器阵列2是由环状支撑结构2a和调谐质量阻尼器振子2b构成,调谐质量阻尼器振子沿圆周固定在环状支撑结构中,环状支撑结构贴合在轮盘的内侧壁上;利用调谐质量阻尼器振子在减振频率范围内吸收叶盘结构的部分能量,降低叶盘的振动幅值。
调谐质量阻尼器振子是将质量块由弹性梁以悬伸的形式固定在环状支撑结构中,由质量块的质量和弹性梁的刚度共同决定振子固有频率;环状支撑结构为环形框架结构,是由内环框、外环框和隔板构成多个周向分布的容腔,调谐质量阻尼器振子设置在各容腔中;调谐质量阻尼器阵列是以过盈配合的方式装配在轮盘的内表面,在叶盘的运行中,调谐质量阻尼器阵列保持与轮盘相贴合;环状支撑结构2a和调谐质量阻尼器振子2b为焊接连接,或通过3D打印整体成型;调谐质量阻尼器阵列2安装在叶盘的轮盘内圆周面,不影响叶盘的气动性能,安装方式简单,便于实施。
叶盘运行在高速旋转状态下,高速转动带来的科氏力和旋转软化等转子动力学效应会显著影响叶盘结构的固有频率,调谐质量阻尼器阵列的减振原理决定了其必须与叶盘结构的固有频率相匹配才能获得好的减振效果;以叶盘静态情形下的固有频率作为调谐质量阻尼器阵列的设计频率往往难以达到设定的减振目的,甚至完全失去减振作用。因此,需要考虑叶盘的转动效应,开展转动下的叶盘调谐质量阻尼器阵列的动态设计。
本实施例中叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计方法按如下步骤进行:
步骤1、按如下方式计算获得叶盘前S阶固有频率的虚部随转速的变化曲线,并确定调谐质量阻尼器阵列的减振点:
步骤1.1:采用三维有限元建模方法建立叶盘结构的定量分析模型,由有限元软件分别导出叶盘模型的质量矩阵M、弹性刚度矩阵Ke、科氏力矩阵Ccor、旋转软化矩阵Kd和与叶盘转速Ω相关的应力钢化矩阵Ks(Ω),建立叶盘结构自由振动的动力学方程如式(1):
式(1)中:
根据叶盘运行中的最大转速Ωmax,在0-Ωmax的转速范围内等间隔取p个点的转速,得到一个转速序列,p不小于5;采用复特征值分析方法由式(2)计算获得各转速下的叶盘的前S阶复特征值λ,S为复特征值分析中最大模态阶数;
(λA+B)φ=0 (2)
式(2)中:
根据叶盘的前S阶复特征值λ计算获得前S阶固有频率f为:f=λ/2π;
将各转速下的固有频率统一取虚部,得到叶盘前S阶固有频率的虚部随转速的变化曲线;图2所示为叶盘结构的有限元模型,图3为图2所示叶盘结构的前30阶特征值随转速的变化曲线,图3中也包含1-8倍转速直线。
具体实施中,将所建立的叶盘结构的有限元模型导入到有限元软件中,根据转速为0状态下的模态分析导出叶盘模型的质量矩阵M和弹性刚度矩阵Ke;根据转速为Ω0情形下的复模态分析,导出叶盘结构在该转速下的阻尼矩阵C和刚度矩阵KΩ0,根据C/Ω0计算得到科氏力矩阵Ccor,通过计算得到旋转软化矩阵Kd;通过转速为Ωmax/2和转速为Ωmax下的复模态分析一一对应导出叶盘模型在这两种转速下的刚度矩阵KΩ1和KΩ2,其中Ωmax表示叶盘模型振动分析中的最大转速,由此计算获得Km1和Km2为:
则转速Ω下的应力钢化矩阵Ks(Ω)为:Ks(Ω)=Ω2(Km1+Kd)+Ω4Km2
步骤1.2:针对具有1-N节径模态的叶盘结构,依次计算各节径n模态对应的固有频率随转速的变化曲线与直线Fn的交点(Ωn,fn),直线Fn为:Fn=nΩ,Ω为叶盘转速,Ωn为叶盘发生n节径模态共振时的转速,fn为n节径共振固有频率,n=1,2,…,N;
图2所示叶盘结构具有30个叶片,因此具有0-15节径的模态振型;对于高节径数的模态振型,在实际中极少被激励起来,因此高节径模态处的振动幅值往往较小。针对具有较小及中等大小节径数的模态振型,比如叶盘结构的1-N节径模态,其中N<15。以4节径、5节径和6节径模态为例,图4、图5与图6分别为4、5和6节径模态固有频率的虚部随转速的变化曲线。图4可见,4节径模态固有频率的虚部随转速的变化曲线与直线Fn=4Ω的焦点为(2552.1,1624.7);图5可见,5节径模态固有频率的虚部随转速的变化曲线与直线Fn=5Ω的焦点为(1943.2,1546.4);图6可见,6节径模态固有频率的虚部随转速的变化曲线与直线Fn=6Ω的焦点为(1565.2,1494.7)。
步骤1.3:针对1-N节径模态,采用式(3)一一对应计算获得叶盘结构在转速Ωn下的振动幅值An,n=1,2,…,N,计算中施加在叶片上的简谐激励的幅值为1,频率为fn;
An=[Ke-Ωn 2Kd+Ks(Ωn)+(2πfn)ΩnCcor-(2πfn)2M]-1F0 (3)
式(3)中:
F0为外载荷幅值向量;
针对各振动幅值A1,A2,…,AN取最大幅值Am,并取对应于最大幅值Am的交点(Ωm,fm)为调谐质量阻尼器阵列的减振点,即有减振点(Ωm,fm);
步骤2:根据减振点(Ωm,fm)按如下方式设计调谐质量阻尼器阵列结构,使得调谐质量阻尼器阵列中的振子在Ωm转速下具有与fm大小相等的振子固有频率;
步骤2.1:根据质量比μ与调谐质量阻尼器振子的个数z确定单个调谐质量阻尼器振子的质量并记为:单个振子质量mr,质量比μ为调谐质量阻尼器阵列结构中所有振子总质量与叶盘质量之比。
质量比μ是影响调谐质量阻尼器阵列减振性能的重要参数,质量比过小,调谐质量阻尼器阵列结构所能吸收的振动能量有限,难以达到较好的减振效果,质量比过大又会导致整个减振装置质量过大,影响叶盘在运行中的经济性。因此,在调谐质量阻尼器振子设计中,选择一个合理的质量比μ,μ通常在1%-15%之间。在确定质量比μ之后,根据调谐质量阻尼器振子的总个数z,确定每个调谐质量阻尼器振子的质量。
步骤2.2:根据单个振子质量mr和频率fm,确定弹性梁的刚度kr,kr=(2πfm)2mr,并对弹性梁的结构尺寸进行初步设计,得到质量块和弹性梁的初步结构尺寸;
步骤2.3:在质量块和弹性梁的初步结构尺寸的基础之上,按如下方式针对质量块和弹性梁的结构尺寸进行精细化迭代设计,使得振子的固有频率与频率fm的差别小于频率设计误差允许值:
采用三维有限元建模方法构建调谐质量阻尼器振子的有限元模型,得到与式(1)具有相同形式的振子结构的自由振动动力学方程;通过对Ωm转速下的振子模型复特征值的分析,计算获得振子的第一阶固有频率的虚部fosc;
若满足设计要求,则停止迭代;
若不满足设计要求,则调整弹性梁的结构尺寸,再次计算获得振子在Ωm转速下的固有频率的虚部fosc,直到满足设计要求;
设计要求设定为:|fosc-fm|<ε,ε为频率设计误差允许值;
步骤2.4:依据步骤2.3所获得的质量块和弹性梁的结构尺寸,确定调谐质量阻尼器阵列结构中的支撑结构。
具体实施中,采用有限元方法对支撑结构的强度进行校核,通过增加内环框、外环框和隔板的厚度增加支撑结构强度。
图7为本实施例中针对图1所示叶盘结构的5节径模态固有频率而设计的调谐质量阻尼器阵列结构,该调谐质量阻尼器阵列结构安装到叶盘中的减振效果如图8所示。图8中L1表示单独叶盘结构中叶片最大响应幅值随频率的变化曲线,L2表示安装有调谐质量阻尼器阵列的叶盘结构中叶片最大响应幅值随频率的变化曲线。在未安装调谐质量阻尼器阵列时,叶盘在频率范围内的最大响应幅值为4.25×10-3m,安装了调谐质量阻尼器阵列后,叶盘的最大响应幅值降为2.41×10-3m,减振幅度43.3%,减振效果良好。
Claims (4)
1.一种叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计方法,其特征是:
采用三维有限元建模方法建立叶盘结构的定量分析模型,采用复特征值分析方法获得叶盘固有频率的虚部随转速的变化曲线,进而通过所获得的曲线与激励频率随转速变化曲线的交点以及多个模态下的响应幅值的最大值确定调谐质量阻尼器阵列的工作转速与固有频率,依此进行调谐质量阻尼器阵列中振子的结构参数设计。
2.根据权利要求1所述的叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计方法,其特征是:所述叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的结构形式是:
所述叶盘(1)是在轮盘的周边分布有叶片;
所述调谐质量阻尼器阵列是由环状支撑结构和调谐质量阻尼器振子构成,所述调谐质量阻尼器振子沿圆周固定在环状支撑结构中,环状支撑结构贴合在轮盘的内侧壁上;利用调谐质量阻尼器振子在减振频率范围内吸收叶盘结构的部分能量,降低叶盘的振动幅值;
所述调谐质量阻尼器振子是将质量块由弹性梁以悬伸的形式固定在环状支撑结构中,由质量块的质量和弹性梁的刚度共同决定振子固有频率;
所述环状支撑结构为环形框架结构,是由内环框、外环框和隔板构成多个周向分布的容腔,调谐质量阻尼器振子设置在各容腔中;所述调谐质量阻尼器阵列是以过盈配合的方式装配在轮盘的内表面,在叶盘的运行中,调谐质量阻尼器阵列保持与轮盘相贴合。
3.根据权利要求2所述的叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计方法,其特征是按如下步骤进行:
步骤1、按如下方式计算获得叶盘前S阶固有频率的虚部随转速的变化曲线,并确定调谐质量阻尼器阵列的减振点:
步骤1.1:采用三维有限元建模方法建立叶盘结构的定量分析模型,由有限元软件分别导出叶盘模型的质量矩阵M、弹性刚度矩阵Ke、科氏力矩阵Ccor、旋转软化矩阵Kd和与叶盘转速Ω相关的应力钢化矩阵Ks(Ω),建立叶盘结构自由振动的动力学方程如式(1):
式(1)中:
根据叶盘运行中的最大转速Ωmax,在0-Ωmax的转速范围内等间隔取p个点的转速,得到一个转速序列,p不小于5;采用复特征值分析方法由式(2)计算获得各转速下的叶盘的前S阶复特征值λ,S为复特征值分析中最大模态阶数;
(λA+B)φ=0 (2)
式(2)中:
根据叶盘的前S阶复特征值λ计算获得前S阶固有频率f为:f=λ/2π;
将各转速下的固有频率统一取虚部,得到叶盘前S阶固有频率的虚部随转速的变化曲线;
步骤1.2:针对具有1-N节径模态的叶盘结构,依次计算各节径n模态对应的固有频率随转速的变化曲线与直线Fn的交点(Ωn,fn),直线Fn为:Fn=nΩ,Ω为叶盘转速,Ωn为叶盘发生n节径模态共振时的转速,fn为n节径共振固有频率,n=1,2,…,N;
步骤1.3:针对1-N节径模态,采用式(3)一一对应计算获得叶盘结构在转速Ωn下的振动幅值An,n=1,2,…,N,计算中施加在叶片上的简谐激励的幅值为1,频率为fn;
An=[Ke-Ωn 2Kd+Ks(Ωn)+(2πfn)ΩnCcor-(2πfn)2M]-1F0 (3)
式(3)中:
F0为外载荷幅值向量;
针对各振动幅值A1,A2,…,AN取最大幅值Am,并取对应于最大幅值Am的交点(Ωm,fm)为调谐质量阻尼器阵列的减振点,即有减振点(Ωm,fm);
步骤2:根据减振点(Ωm,fm)按如下方式设计调谐质量阻尼器阵列结构,使得调谐质量阻尼器阵列中的振子在Ωm转速下具有与fm大小相等的振子固有频率;
步骤2.1:根据质量比μ与调谐质量阻尼器振子的个数z确定单个调谐质量阻尼器振子的质量并记为:单个振子质量mr,所述质量比μ为调谐质量阻尼器阵列结构中所有振子总质量与叶盘质量之比;
步骤2.2:根据单个振子质量mr和频率fm,确定弹性梁的刚度kr,kr=(2πfm)2mr,并对弹性梁的结构尺寸进行初步设计,得到质量块和弹性梁的初步结构尺寸;
步骤2.3:在质量块和弹性梁的初步结构尺寸的基础之上,按如下方式针对质量块和弹性梁的结构尺寸进行精细化迭代设计,使得振子的固有频率与频率fm的差别小于频率设计误差允许值:
采用三维有限元建模方法构建调谐质量阻尼器振子的有限元模型,得到与式(1)具有相同形式的振子结构的自由振动动力学方程;通过对Ωm转速下的振子模型复特征值的分析,计算获得振子的第一阶固有频率的虚部fosc;
若满足设计要求,则停止迭代;
若不满足设计要求,则调整弹性梁的结构尺寸,再次计算获得振子在Ωm转速下的固有频率的虚部fosc,直到满足设计要求;
所述设计要求设定为:|fosc-fm|<ε,ε为频率设计误差允许值;
步骤2.4:依据步骤2.3所获得的质量块和弹性梁的结构尺寸,确定调谐质量阻尼器阵列结构中的支撑结构。
4.根据权利要求2或3所述的叶盘减振结构中调谐质量阻尼器阵列的动态设计方法,其特征是:采用有限元方法对所述支撑结构的强度进行校核,通过增加内环框、外环框和隔板的厚度增加支撑结构强度。
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