基于流固耦合的风机叶片故障机理分析
发布时间：2020-12-20 04:33
随着科学技术的发展,通风机广泛应用于工厂、矿井、隧道、船舶和建筑物等各种场所。叶片是通风机的关键部件,该部件发生故障会严重影响通风机的安全运行,未能被诊断出的早期故障还会在横向振动的作用下继续扩展。由于叶片本身振荡与其激发的非定常流场之间的交互作用,传统的分析方法无法揭示其本质问题,基于流固耦合研究叶片产生故障的机理,具有重要的研究意义。首先建立风机叶片的动力学模型和流固耦合数学模型,得到了通风机流体场和叶片模态之间的关系以及叶片的固有频率。其次对通风机叶片进行模态试验和仿真,对比健康和裂纹故障叶片频率、振型变化规律,研究叶片各阶振型与气动力相互作用的规律、叶片裂纹故障对各阶振型的影响。最后运用ANSYS Workbench软件搭建流固耦合平台,仿真分析了不同转速、风阻工况下,通风机流体场气动力和叶片裂纹的变化规律。主要研究内容如下:(1)对实际的风机叶片进行受力分析,确定风机叶片的力学模型和流固耦合模型。(2)使用模态试验和仿真分析,获取健康叶片和裂纹故障叶片的固有频率和振型变化规律。分析对比了叶片表面气动力与叶片各阶振型之间的相互作用以及裂纹故障位置与气动力的相互作用。(3)应用B...
【文章来源】：北京工业大学北京市 211工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
矿用通风机Fig.1-1Minefan
将会造成通风效率下降甚至停机的严重后果。当发生性能失稳故障时，此时风道内出现的强烈径向脉动会对通风机和风道造成严重的损坏，特别是通风机叶片在交变应力的作用下极易损坏。在轴流式通风机的各种故障中，叶片失效占很大比例，其中主要故障类型为叶片裂纹故障和叶片断裂故障（如图 1-2 所示），因自振频率和激励源频率一致而共振产生的裂纹会对整个机组的安全运行带来严重的威胁。失速颤振是通风机在运行中常出现的问题、最为多发的颤振故障，它是典型的升力系统处于失速攻角附近所发生的气动弹性失稳现象。颤振的起因是由于叶片本身震荡与其激发流场非定常性之间的交互耦合作用[7-8]，这种气动力和叶片振动特性的相互作用常会导致通风机的重大事故。鉴于高速旋转机械的频发故障是振动问题，因此国内外学者和工程师们投入相当大的致力于振动故障诊断研究，但是对于叶轮机械的安全性和可靠性可能造成重大危险的流固耦合问题，由于其属于边缘科学涉及诸多学科分支，对其的研究还不是很深入。传统的分析方法无法揭示其本质问题，因此基于流固耦合研究叶片产生颤振及故障的机理，分析通风机流体域流动规律和固体域的应力应变变化规律，具有重要意义。
将通风机流体场的气动力变化传递到叶片结构上，同时，叶片的结构应变传递到流体场，实现双向耦合。图2-2 耦合流程图Fig.2-2 Coupling flow chart2.4 本章小结本章根据通风机叶片的结构特点、动力学特性，分别建立了通风机叶片的力学模型、流固耦合模型，推导得到叶片的固有频率的求解方式。本文采用弱耦合算法计算流固耦合模型，分别建立流体场、固体域的控制方程，将流体域与固体域的参数进行传递分析，为之后的研究提供理论基础。
【参考文献】：
期刊论文
[1]混流式空气压缩机喘振原因分析及对策[J]. 魏文斌. 大氮肥. 2018(06)
[2]基于ANSYS的流固耦合弧形闸门振动特性研究[J]. 李桑军,秦战生. 水力发电. 2018(01)
[3]通风机故障叶片的模态分析[J]. 付胜,杜晓帆. 矿山机械. 2015(04)
[4]机械结构的模态分析方法研究综述[J]. 孙敬敬. 科技信息. 2014(03)
[5]含裂纹叶片的失谐叶盘对航空发动机振动特性的影响[J]. 张欢,朱靖,梁恩波,滕光蓉. 航空动力学报. 2013(09)
[6]运动罐体内液体晃动的双向流固耦合数值分析[J]. 刘小民,王星,许运宾. 西安交通大学学报. 2012(05)
[7]风波联合作用海上风力机动态特性分析[J]. 徐建源,祝贺. 中国电机工程学报. 2010(05)
[8]呼吸裂纹梁非线性动力特性研究[J]. 胡家顺,冯新,周晶. 振动与冲击. 2009(01)
[9]转子叶片裂纹故障特征提取研究[J]. 刘晓波,孙康. 江西理工大学学报. 2006(01)
[10]梁裂缝损伤检测的模态应变能法及试验研究[J]. 唐天国,刘浩吾,陈春华,刘晓森. 工程力学. 2005(S1)
博士论文
[1]风机叶片流固耦合特性分析与故障诊断[D]. 黎少辉.中国矿业大学 2009
[2]故障旋转机械动力学及诊断技术中若干问题的研究[D]. 姚红良.东北大学 2006
[3]高维复杂转子系统非线性动力学的若干现代问题研究[D]. 曹树谦.天津大学 2003
[4]叶轮机械中若干气流激振问题的流固耦合数值研究[D]. 金琰.清华大学 2002
硕士论文
[1]通风机叶片裂纹故障诊断方法的研究[D]. 高银波.北京工业大学 2016
本文编号：2927215
【文章来源】：北京工业大学北京市 211工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
矿用通风机Fig.1-1Minefan
将会造成通风效率下降甚至停机的严重后果。当发生性能失稳故障时，此时风道内出现的强烈径向脉动会对通风机和风道造成严重的损坏，特别是通风机叶片在交变应力的作用下极易损坏。在轴流式通风机的各种故障中，叶片失效占很大比例，其中主要故障类型为叶片裂纹故障和叶片断裂故障（如图 1-2 所示），因自振频率和激励源频率一致而共振产生的裂纹会对整个机组的安全运行带来严重的威胁。失速颤振是通风机在运行中常出现的问题、最为多发的颤振故障，它是典型的升力系统处于失速攻角附近所发生的气动弹性失稳现象。颤振的起因是由于叶片本身震荡与其激发流场非定常性之间的交互耦合作用[7-8]，这种气动力和叶片振动特性的相互作用常会导致通风机的重大事故。鉴于高速旋转机械的频发故障是振动问题，因此国内外学者和工程师们投入相当大的致力于振动故障诊断研究，但是对于叶轮机械的安全性和可靠性可能造成重大危险的流固耦合问题，由于其属于边缘科学涉及诸多学科分支，对其的研究还不是很深入。传统的分析方法无法揭示其本质问题，因此基于流固耦合研究叶片产生颤振及故障的机理，分析通风机流体域流动规律和固体域的应力应变变化规律，具有重要意义。
将通风机流体场的气动力变化传递到叶片结构上，同时，叶片的结构应变传递到流体场，实现双向耦合。图2-2 耦合流程图Fig.2-2 Coupling flow chart2.4 本章小结本章根据通风机叶片的结构特点、动力学特性，分别建立了通风机叶片的力学模型、流固耦合模型，推导得到叶片的固有频率的求解方式。本文采用弱耦合算法计算流固耦合模型，分别建立流体场、固体域的控制方程，将流体域与固体域的参数进行传递分析，为之后的研究提供理论基础。
【参考文献】：
期刊论文
[1]混流式空气压缩机喘振原因分析及对策[J]. 魏文斌. 大氮肥. 2018(06)
[2]基于ANSYS的流固耦合弧形闸门振动特性研究[J]. 李桑军,秦战生. 水力发电. 2018(01)
[3]通风机故障叶片的模态分析[J]. 付胜,杜晓帆. 矿山机械. 2015(04)
[4]机械结构的模态分析方法研究综述[J]. 孙敬敬. 科技信息. 2014(03)
[5]含裂纹叶片的失谐叶盘对航空发动机振动特性的影响[J]. 张欢,朱靖,梁恩波,滕光蓉. 航空动力学报. 2013(09)
[6]运动罐体内液体晃动的双向流固耦合数值分析[J]. 刘小民,王星,许运宾. 西安交通大学学报. 2012(05)
[7]风波联合作用海上风力机动态特性分析[J]. 徐建源,祝贺. 中国电机工程学报. 2010(05)
[8]呼吸裂纹梁非线性动力特性研究[J]. 胡家顺,冯新,周晶. 振动与冲击. 2009(01)
[9]转子叶片裂纹故障特征提取研究[J]. 刘晓波,孙康. 江西理工大学学报. 2006(01)
[10]梁裂缝损伤检测的模态应变能法及试验研究[J]. 唐天国,刘浩吾,陈春华,刘晓森. 工程力学. 2005(S1)
博士论文
[1]风机叶片流固耦合特性分析与故障诊断[D]. 黎少辉.中国矿业大学 2009
[2]故障旋转机械动力学及诊断技术中若干问题的研究[D]. 姚红良.东北大学 2006
[3]高维复杂转子系统非线性动力学的若干现代问题研究[D]. 曹树谦.天津大学 2003
[4]叶轮机械中若干气流激振问题的流固耦合数值研究[D]. 金琰.清华大学 2002
硕士论文
[1]通风机叶片裂纹故障诊断方法的研究[D]. 高银波.北京工业大学 2016
本文编号：2927215
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