[发明专利]一种基于有限元的涡轮泵充浸液湿模态分析方法

说明书

本发明提供了一种基于有限元的涡轮泵充浸液湿模态分析方法，利用ANSYS有限元软件，通过APDL语言命令流和WORKBENCH模态分析模块分别对涡轮泵壳体充液和离心轮结构浸液状态下进行湿模态的分析研究，分析液体对结构固有频率和振型的影响，同时考虑工程状况下涡轮泵结构的充浸液氧状态，分析浸没介质对涡轮泵结构模态特性的影响，为防止结构的共振提供重要的动力学依据。本发明对于充浸液结构固有频率计算具有一定的通用性，且可以改变充浸液介质，获取工作状态下更加准确的结构固有频率和振型，为防止结构共振破坏、振动疲劳以及评价结构的动态特性和优化结构设计提供一定的依据。

技术领域

本发明涉及模态分析领域，尤其是一种模态分析方法。

背景技术

液体火箭发动机的各种部件中，涡轮泵是故障高发部件，这与涡轮泵特殊的结构、工作方式和工作环境有密切联系。涡轮泵作为发动机系统的关键部件，它的可靠性对整个发动机系统的稳定运行起着至关重要的作用。由于目前高转速、轻重量的发展趋势使涡轮泵的强度振动问题比较突出。涡轮泵的振动不仅影响到涡轮泵的工作稳定性还影响到涡轮泵疲劳寿命，因此有必要了解结构的固有频率和振型，为防止结构共振破坏、振动疲劳以及评价结构的动态特性和优化结构设计提供一定的依据。

模态分析分为干模态分析和湿模态分析两种方式。干模态分析在计算时通常忽略空气的作用，默认在真空条件下进行分析计算。湿模态问题主要考虑附加流体对于结构的振动特性影响，以及固体结构对流体的作用，是一种强流固耦合问题。对于工作在水介质环境中的涡轮泵系统来说，湿模态才是其动力学特性的真正表征。流体对结构的固有模态参数的影响主要为，在水介质中，涡轮泵壳体内表面，离心轮结构外表面会产生附粘水质量，也称为附加质量效应。要想得到在流场中涡轮泵结构的动力学特性就应该考虑上述因素对模态参数的影响，并且水介质中涡轮泵结构表面不仅会产生附加质量，而且会产生附加阻尼，附加阻尼的出现使涡轮泵结构的振动能量耗散加速，导致涡轮泵的固有频率发生变化。因此，涡轮泵结构的湿模态分析对涡轮泵的性能分析、动态设计都具有重要的意义。

目前对于涡轮泵系统模态分析的有限元仿真仅限于干模态，但是事实上在工作过程中，液体对于涡轮泵壳体和离心轮结构的模态是有很大影响的，在涡轮泵模态分析试验中也很难做到充浸液氧状态下的模态分析。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于有限元的涡轮泵湿模态分析方法，主要利用ANSYS有限元软件，通过APDL语言命令流和WORKBENCH模态分析模块分别对涡轮泵壳体充液和离心轮结构浸液状态下进行湿模态的分析研究，分析液体对结构固有频率和振型的影响，同时考虑工程状况下涡轮泵结构的充浸液氧状态，分析浸没介质对涡轮泵结构模态特性的影响，为防止结构的共振提供重要的动力学依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的主要步骤如下：

(1)对工程上提供的涡轮泵壳体模型进行简化，借助建模软件对涡轮泵壳体模型进行充液操作，要求液体域充满涡轮泵壳体空间，建立涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型，对工程上提供的离心轮结构模型进行简化，借助建模软件对离心轮结构模型进行浸液操作，要求离心轮结构完全浸没在液体中，建立离心轮结构浸液状态流固耦合模型，将模型导出为.x_t格式文件；

(2)将步骤(1)中导出的.x_t格式文件导入到ANSYS WORKBENCH软件中，定义材料属性，流体域材料设置为初始值，并在命令流中修改；

在涡轮泵壳体进出口及侧面孔洞上附加均布载荷，均布载荷数值即为涡轮泵壳体进出口及侧面孔洞上盖子的质量；

(3)对涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型和离心轮结构浸液状态流固耦合模型进行网格划分，且涡轮泵壳体充液状态流固耦合模型和离心轮结构浸液状态流固耦合模型中，固液交界面处的网格单元尺寸一致，将流体和固体结构区域合并成一新体(Form NewPart)；