基于LabVIEW和ANSYS的转子监测及故障仿真研究

发布时间：2017-04-04 16:13

  本文关键词：基于LabVIEW和ANSYS的转子监测及故障仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：旋转机械是现代工矿企业及航空航天等领域中非常普遍、非常关键的一类设备，对国民经济的重要行业和国防重点领域有极其重要的影响。旋转设备一旦发生故障，往往会导致灾难性事故的发生，造成严重的人员伤亡及财产损失。裂纹故障是旋转机械中常见的故障之一，因此对裂纹转子的故障性质和发展过程进行深入研究，并对其剩余寿命进行预测，同时采取相应的措施进行维护，从而降低事故发生率，这对保证系统实现平稳高效的运行具有重要的经济价值及社会意义。 本文针对一个具有横向呼吸裂纹的Jeffcott转子系统进行动力学建模，研究了疲劳裂纹的存在对转子动力学行为的影响，并通过实验对理论模型的准确性进行验证。然后基于断裂力学理论，对裂纹转子进行有限元分析，完成了裂纹转子剩余寿命的预测。本文的主要内容包括如下几个部分： 首先，，基于中性轴理论，考虑中性轴在裂纹旋转过程中的位置变化，对疲劳裂纹的呼吸过程进行了深入研究，完善了疲劳裂纹的呼吸函数模型。然后利用建立的呼吸函数模型对重力占主要作用的裂纹转子系统进行了动力学建模。研究了转子在1/2、1/3等亚临界转速附近运行时其振动位移和轴心轨迹的变化规律，同时通过时频分析方法对转子振动信号进行频谱分析，并将结果作为裂纹故障的典型特征，为裂纹故障的识别奠定了基础。 然后，基于PXI总线技术，在虚拟开发环境LabVIEW中搭建了一套转子振动信号数据采集系统。该系统采用模块化设计思路，可以实现振动信号的采集、分析处理以及实时存储。接着在标准转子试验台上对裂纹转子进行实验，利用此数据采集系统采集了裂纹转子在亚临界转速附近运行时水平和竖直方向上的振动信号，并绘制了转子的轴心轨迹和振动信号频谱图，实验结果与动力学模型输出一致，很好地验证了理论模型的准确性。 接着，利用ANSYS软件对裂纹转子进行了有限元分析，考虑了转子旋转过程中的呼吸效应，并结合转子的动力学响应，对裂纹转子在一个旋转周期内的8个特殊状态进行了分析，计算得到裂纹前缘应力强度因子值，研究了其变化规律，为进一步理解呼吸裂纹的力学特征和进行疲劳裂纹寿命预测奠定了基础。 最后，基于断裂力学理论，利用Paris公式对裂纹转子的剩余寿命进行了预测，研究了疲劳裂纹的深度对其扩展速率的影响，为转子性能的评价和维护决策的制定奠定了基础。
【关键词】：裂纹转子 动力学模型 数据采集系统 故障仿真 剩余寿命预测
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH165.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题来源11
• 1.2 课题背景及研究的目的和意义11-12
• 1.3 国内外研究现状12-19
• 1.3.1 含裂纹转子的动力学研究现状12-13
• 1.3.2 转子断裂力学研究现状13-17
• 1.3.3 测控技术研究现状17-18
• 1.3.4 国内外文献综述简析18-19
• 1.4 本文的主要研究内容19-21
• 第2章 裂纹转子动力学分析21-44
• 2.1 引言21-22
• 2.2 裂纹转子动力学建模22-31
• 2.2.1 裂纹转子刚度模型22-24
• 2.2.2 新的裂纹模型24-31
• 2.3 裂纹转子动力学行为研究31-42
• 2.3.1 裂纹转子动力学模型的建立31-32
• 2.3.2 动力学响应32-42
• 2.4 本章小结42-44
• 第3章 数据采集系统及实验44-63
• 3.1 引言44
• 3.2 数据采集系统设计44-53
• 3.2.1 硬件系统设计44-47
• 3.2.2 采样参数的选择47-48
• 3.2.3 软件系统设计48-53
• 3.3 裂纹转子振动特性的实验研究53-61
• 3.3.1 实验目的53
• 3.3.2 实验对象及器材53-55
• 3.3.3 实验方法55-56
• 3.3.4 实验结果分析56-61
• 3.4 本章小结61-63
• 第4章 裂纹转子应力强度因子计算63-91
• 4.1 引言63
• 4.2 断裂力学分析基础63-69
• 4.2.1 裂纹的分类与基本形式63-66
• 4.2.2 应力强度因子66-68
• 4.2.3 断裂准则68-69
• 4.3 应力强度因子的求解69-73
• 4.3.1 实测法69
• 4.3.2 解析法69-70
• 4.3.3 数值法70-73
• 4.4 裂纹转子应力强度因子的 ANSYS 解法73-82
• 4.4.1 ANSYS 简介73-75
• 4.4.2 参数定义及模型的建立75-80
• 4.4.3 计算断裂参数80-82
• 4.5 裂纹转子动力学断裂力学耦合分析82-89
• 4.5.1 研究方案82-83
• 4.5.2 旋转角度对应力强度因子的影响83-87
• 4.5.3 裂纹深度对应力强度因子的影响87-89
• 4.6 本章小结89-91
• 第5章 含裂纹转子剩余寿命分析计算91-97
• 5.1 引言91
• 5.2 疲劳裂纹扩展基本理论91-94
• 5.2.1 疲劳裂纹扩展速率91-94
• 5.2.2 剩余寿命预测94
• 5.3 裂纹转子疲劳寿命计算94-96
• 5.4 本章小结96-97
• 结论97-99
• 参考文献99-108
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果108-110
• 致谢110

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