压缩机叶轮随机振动建模与分析研究

发布时间：2017-05-13 05:06

  本文关键词：压缩机叶轮随机振动建模与分析研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：叶轮是离心式压缩机通过旋转对气体做功并使气体压缩的关键组件。气体反作用于叶轮的压力是典型的随机激励,因此叶轮受随机气动荷载作用的响应求解即为典型的流固耦合问题。许多工程事故中,叶轮的破坏是由随机气动激励作用下材料发生高周疲劳造成的。因此对叶轮开展动应力分析具有防止疲劳破坏和验证叶轮可靠度的实际价值。以往工程上叶轮动应力分析主要采用静荷载加载或5%静压值加载的方法,计算均存在缺陷。为了更准确地计算叶轮的动强度,评定叶轮失效和疲劳破坏,本文开展了具有针对性的基于动力设计的离心式叶轮随机振动问题研究,具体内容如下：首先,采用单向弱耦合方法求解非定常气动荷载作用下叶轮的流固耦合响应,提取数值结果与实验数据进行了比较,验证了动力计算的可信度。其次,针对叶轮流固耦合瞬态求解时,弱耦合流固交界面数据交换复杂及时域求解时间耗时较长等问题,提出了适用于任意几何形体的叶片的表面荷载快速建模方法,此方法基于工程流体计算经验且满足任意给定的数学假定。然后,文章引用求解结构受平稳随机作用动响应的虚拟激励法,详细介绍了虚拟激励法基本原理,推导了多维多点虚拟激励法的计算方法,给出了多维多点虚拟激励法在ANSYS上实现的方法及流程。此后,采用第三、四章所述方法,开展了基于动力设计的半开式叶轮随机问题实例分析。根据叶轮受完全不相干激励时虚拟激励法在ANSYS中的应用方法,第一步通过叶片表面荷载快速建模算法生成叶轮表面压力的均值；第二步依照动应变测试实验结果的幅频曲线确定设计气动荷载的频率成分,采用快速建立气压幅值任意的叶片表面荷载模型的算法,生成叶轮表面压力脉动；第三步采用改进周期图法,通过编制MATLAB程序对叶轮表面压力脉动进行功率谱估计,求得压力功率谱；最后一步利用ANSYS谐响应分析模块对叶轮单扇区模型进行分析,提取重点考察危险区域200个节点位移及应力功率谱,确定动响应最大频率及对应热点。最后,针对第五章所计算的叶轮算例,结合宽频随机过程疲劳寿命估计方法对叶轮危险点疲劳损伤进行了计算,给出了其疲劳寿命。
【关键词】：动力设计 叶轮 流固耦合 虚拟激励法 随机振动 疲劳 频域分析
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH45
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 流固耦合问题的研究状况11-15
• 1.2.1 流固耦合问题的原理与探索11-12
• 1.2.2 叶轮机械流固耦合问题的研究进展12-13
• 1.2.3 流固耦合问题的研究方法13-15
• 1.3 随机振动问题的研究进展15-16
• 1.4 本文的主要工作16-17
• 1.5 本章小结17-18
• 2 叶轮的流固耦合瞬态分析18-29
• 2.1 引言18
• 2.2 叶轮的瞬态分析方法及流程18-19
• 2.3 叶轮的动应力分析19-22
• 2.3.1 叶轮的分析模型19-20
• 2.3.2 不同工况下的瞬态压力荷载20-22
• 2.4 叶轮的瞬态计算结果22-28
• 2.4.1 两个工况下的应力结果22-24
• 2.4.2 数值解与实验值的对比分析24-27
• 2.4.3 结果的对比分析27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 3 叶片表面荷载的生成方法29-38
• 3.1 引言29
• 3.2 快速建模方法29-34
• 3.2.1 面-面投影与坐标转换29-31
• 3.2.2 搜索与插值方法31-33
• 3.2.3 分布函数及插值33-34
• 3.3 叶片表面荷载的建模流程34-35
• 3.4 叶轮荷载的生成算例35-37
• 3.5 本章小结37-38
• 4 结构平稳随机响应的虚拟激励法38-45
• 4.1 引言38
• 4.2 结构平稳随机响应的虚拟激励法基本原理38-39
• 4.3 多维多点平稳随机激励的虚拟激励法39-41
• 4.3.1 结构受多维多点部分相干平稳随机激励39-40
• 4.3.2 结构受多维多点完全不相干平稳随机激励40-41
• 4.4 多维多点激励的虚拟激励法实现原理分析41-43
• 4.4.1 多维多点部分相干随机激励的虚拟激励法实现42
• 4.4.2 多维多点完全不相干随机激励的虚拟激励法实现42-43
• 4.5 多维多点激励的虚拟激励法在ANSYS中实现流程43-44
• 4.6 本章小结44-45
• 5 叶轮的动响应分析45-61
• 5.1 引言45
• 5.2 叶轮的随机振动分析模型45-47
• 5.3 叶轮表面荷载的快速生成47-53
• 5.3.1 叶轮表面压力均值生成47-50
• 5.3.2 叶轮表面压力脉动生成50-53
• 5.4 叶轮随机荷载的功率谱估计53-55
• 5.4.1 功率谱估计方法53-54
• 5.4.2 叶轮表面载荷功率谱估计的实现方法54-55
• 5.5 叶轮的多维多点平稳响应分析55-60
• 5.6 本章小结60-61
• 6 叶轮随机振动的疲劳分析61-67
• 6.1 引言61
• 6.2 疲劳损伤寿命估计理论61-62
• 6.2.1 线性累积损伤准则61-62
• 6.2.2 三区间法62
• 6.3 疲劳损伤的分析方法62-65
• 6.3.1 Bendat模型63-64
• 6.3.2 Wirsching模型64
• 6.3.3 Dirlik模型64-65
• 6.4 叶轮的疲劳分析65-66
• 6.5 本章小结66-67
• 结论与展望67-69
• 参考文献69-74
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况74-75
• 致谢75-76

【参考文献】

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本文编号：361617