转子系统复杂动态特性的响应面法研究

发布时间：2017-10-12 21:05

  本文关键词：转子系统复杂动态特性的响应面法研究

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【摘要】：转子系统是航空发动机的重要组成部分,如何快速、高效地找出影响转子动力学响应特性的关键因素,设计出满足性能要求的结构和解决各类转子动力学故障,是现今航空领域专家和学者针对转子系统动力学方面的一个研究方向。针对转子动力学问题求解时间长和计算规模大的问题,本文提出将响应面法用于求解转子系统的动力学响应特性,结合试验设计、函数拟合和有限元仿真计算,实现对转子系统临界转速特性和叶片-机匣碰摩热-结构耦合动力学响应特性的响应面法研究。具体研究内容归纳如下:(1)总结了响应面分析中常用的方法及其适用范围和特点,为后面选取合适的试验点筛选准则和响应面函数拟合方法,以及进行转子系统临界转速特性和叶片-机匣碰摩热-结构耦合动力学响应特性的响应面分析做准备;(2)将响应面法引入到转子系统临界转速特性的求解中,把结构复杂、具有较多自由度的转子系统有限元模型用响应面模型代替,给出了一种求解变轴径转子临界转速特性的响应面方法。以转子系统主要结构参数为设计变量,以一阶临界转速值为响应,进行试验点筛选和响应面函数拟合,建立了转子系统临界转速的响应面模型。通过对转子系统的临界转速特性进行灵敏度分析,获取关键因素对临界转速的影响;(3)研究了摩擦热-结构耦合场的分析方法及流程,基于旋转坐标系下的Fourier方程,建立了叶片与机匣碰摩的热-结构耦合模型,采用直接耦合法进行叶片-机匣碰摩热-结构耦合动力学响应特性研究。通过与不考虑温度效应时的计算结果进行对比,可以看出温度效应对结构应力场具有较为明显的影响,因而不能忽略碰摩热效应的影响;(4)建立了叶片-机匣的碰摩热-结构耦合动力学响应特性的响应面模型,提出了叶片-机匣碰摩热-结构耦合特性的响应面分析技术。以压力载荷、转速及摩擦系数为设计变量,得到了结构最大等效应力与上述设计变量之间的函数关系,并进一步研究了叶片-机匣结构的应力场随上述因素的变化趋势。
【关键词】：转子系统 动态特性 响应面法 摩擦热效应 热-结构耦合 有限元法
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V231.96
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 注释表13
• 缩略语表13-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 国内外研究现状15-18
• 1.2.1 响应面法的国内外研究现状15-16
• 1.2.2 转子动力学特性的国内外研究现状16-17
• 1.2.3 转静子间摩擦热耦合特性的国内外研究现状17-18
• 1.3 课题来源及主要研究内容18-20
• 1.3.1 课题来源18
• 1.3.2 主要研究内容18-20
• 第二章 响应面方法介绍20-29
• 2.1 引言20
• 2.2 试验设计20-23
• 2.3 响应面模型的构造23-26
• 2.4 试验点样本值的预处理26-27
• 2.5 响应面拟合度评价指标27-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第三章 转子系统临界转速特性的响应面分析29-47
• 3.1 引言29
• 3.2 转子临界转速特性的有限元计算29-35
• 3.2.1 临界转速的基本原理29-31
• 3.2.2 有限元法计算临界转速31-33
• 3.2.3 临界转速的影响因素33-35
• 3.3 单盘转子临界转速特性的响应面分析35-40
• 3.3.1 临界转速计算35-36
• 3.3.2 响应面构造与检验36-38
• 3.3.3 结果分析38-40
• 3.4 多盘转子临界转速特性的响应面分析40-46
• 3.4.1 临界转速计算40-41
• 3.4.2 响应面构造与检验41-44
• 3.4.3 结果分析44-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第四章 叶片与机匣碰摩接触分析47-56
• 4.1 引言47
• 4.2 接触条件分析47-48
• 4.3 ANSYS接触理论48-51
• 4.3.1 接触问题的有限元方法48-50
• 4.3.2 ANSYS接触单元50-51
• 4.3.3 ANSYS收敛准则51
• 4.4 叶片-机匣碰摩接触有限元模型的建立51-53
• 4.4.1 材料选择及网格划分52
• 4.4.2 摩擦接触设置及边界条件52-53
• 4.5 计算结果与分析53-55
• 4.5.1 叶片与机匣碰摩接触过程53-54
• 4.5.2 叶片与机匣接触表面的应力场分析54-55
• 4.6 本章小结55-56
• 第五章 叶片与机匣碰摩热-结构耦合特性的响应面分析56-70
• 5.1 引言56
• 5.2 热-结构耦合分析的理论基础56-58
• 5.2.1 热-结构耦合场分析类型56-57
• 5.2.2 基于有限元法的热-结构耦合分析57-58
• 5.3 摩擦生热理论58-60
• 5.3.1 摩擦生热理论模型58-59
• 5.3.2 摩擦生热计算方法59
• 5.3.3 对流换热系数的计算59
• 5.3.4 接触热阻处理59-60
• 5.4 叶片-机匣碰摩热-结构耦合有限元模型的建立60-61
• 5.4.1 网格划分及单元选取60
• 5.4.2 材料属性及边界条件60-61
• 5.5 计算结果与分析61-65
• 5.5.1 叶片-机匣耦合场应力分析61-63
• 5.5.2 叶片-机匣耦合场温度分析63-65
• 5.6 叶片-机匣碰摩热-结构耦合特性的响应面分析65-69
• 5.6.1 响应面构造与检验65-68
• 5.6.2 结果分析68-69
• 5.7 本章小结69-70
• 第六章 总结与展望70-72
• 6.1 主要工作内容70-71
• 6.2 展望71-72
• 参考文献72-77
• 致谢77-78
• 在学期间参与的科研工作及研究成果78

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本文编号：1020896