基于三维有限元模型对裂纹非对称转子振动及裂纹扩展控制研究

发布时间：2020-05-13 08:45

【摘要】：旋转机械近年来朝着高速、高自动集成以及适应复杂环境的社会生产需求发展,人们对于其安全性问题提出更高要求。转子在高温、高压及交变载荷作用下极易萌生裂纹,如果裂纹不被及时发现与控制就会进一步扩展,造成灾难性破坏。裂纹是引起转子故障的一大隐患,对其深入细致的研究可以提高转子系统运行的稳定性以及安全性,进而避免不必要的安全问题的发生。本文以裂纹非对称转子为研究对象,针对裂纹非对称转子的振动问题,运用非线性接触单元法建立了裂纹非对称转子的三维有限元模型,并应用自由界面模态综合法对模型实现降阶来缩短计算时间。通过仿真分析了裂纹位置角、裂纹位置及非对称转子扁平性等参数的变化对主共振不稳定区域及振动特性的影响。同时采用扰动观测器控制电磁执行器(EMA)实现对该转子系统振动的主动控制。其次,基于转子动力学理论及本文提出的裂纹开闭映射法研究了转速、不均匀质量和非对称转子的扁平性等参数变化对转子裂纹开闭特性的影响,提出了有效延缓裂纹扩展的方法。同时基于裂纹应力强度因子法分析了不均匀质量的位置及大小对裂纹呼吸状态的影响。通过实验验证控制方法的有效性。分析结果表明:(1)裂纹位置角变化对非对称转子的主共振和超谐波共振位置产生影响,并且在主共振区附近的不稳定区域将变窄。在非对称转子中裂纹出现的位置对非对称转子的振动幅值、共振频率和不稳定区域的范围等均造成影响。(2)不均匀质量、转速和非对称转子的扁平性等参数变化时,对呼吸裂纹的开闭程度和开闭周期等都存在一定的影响。特别是扁平性减小时可减小裂纹的开闭程度,相对延长了闭合时间。另外,非对称转子的不均匀质量参数的减小可以有效的减弱裂纹的呼吸效应。(3)通过电磁执行器可以有效的减小裂纹非对称转子在主共振及超谐波共振振动幅值,使转子在主共振的不稳定区域消失。并能够使转子在运行过程中保持相对稳定的转动,且使呼吸裂纹长期处于闭合状态,延缓裂纹的扩展。通过实验表明利用EMA可对裂纹转子的振动及裂纹呼吸效应等均具有抑制效果,验证了控制方法的有效性。
【图文】：

第二章 裂纹非对称转子的有限元动力学建模础内容为：限单元，定义每个单元中的节点，并通过这些节节点通常位于关节处。通过这样的操作，具有无度的系统，导出元素的动能、势能和虚功的表达以及外力矩阵。将其组合成转子系统的刚度矩阵界条件，通过求解 Lagrange 法或 Hamilton 法则

第二章 裂纹非对称转子的有限元动力学建模N 维单位矩阵，RT 为旋转矩阵。性接触单元法构建的三维有限元模型，在该模型中，裂纹用别为接触面和目标面。在求解过程中，，裂纹处节点的位移设置示为如下公式。ck cckq tu uu uu u ， 可以用两个部分来表示，cku 代表裂纹截面处节点位移，qu纹界面的其他部分的节点位移。cu 和tu 分别表示裂纹面上接。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O346.1;TH133

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