[发明专利]一种叶轮-轴承-转子系统的高效定量建模方法

说明书

本发明公开一种叶轮‑轴承‑转子系统的高效定量建模方法，其步骤包括：1采用铁木辛柯梁有限元模型及三维实体有限元模型分别构建转轴、叶轮动力学模型，采用五自由度集中参数模型构建滚动轴承的动力学模型；2在叶轮动力学模型中的叶轮与转轴的公共连接界面上建立至少2个六自由度虚拟主节点；3构建由实体节点到虚拟主节点的非匹配位移协调变换；4采用固定界面模态综合法对叶轮模型进行降阶，进而将叶轮、转轴及轴承模型进行集成，得到整个叶轮‑轴承‑转子系统的降阶模型。本发明能提高转子动力学模型的分析效率、降低模型的阶数，为大型旋转机械的建模分析求解工作提供技术支撑。

技术领域

本发明属于转子动力学建模与分析领域，具体涉及一种叶轮-轴承-转子系统的高效定量建模方法。

背景技术

大型旋转机械被广泛地应用于包括航空发动机，轴流式压缩机及涡轮发动机在内的机械装置中，是国民经济中非常重要的高端设备。在电力、航空、机械、化工、纺织等领域中起着非常重要的作用。

而叶轮-轴承-转子系统作为这些高端设备的核心功能部件，长期工作在高转速和重载荷情况下，其动态特性直接决定整机的动态性能和工作效率，同时，转子系统在工作过程中的高转速和重载荷等因素严重影响其动力学行为，使其动态性能发生显著变化，这对现有转子系统建模、分析和设计的理论与技术提出了极大的挑战。因此，作为转子系统设计的基础，叶轮-轴承-转子系统的动力学建模与分析工作，得到了国内外专家学者的广泛重视，并做出了大量的转子系统建模方面的改进和创新。

当前，国内外的研究或专注于叶轮结构的建模与分析，或将叶轮进行大量简化，而专注于转子系统的分析，仅少量的研究采用集中参数模型构建叶轮-轴承-转子系统的定性分析模型，但这些定性分析模型由于简化过多，难以实现对复杂叶轮-轴承-转子系统精确且定量的分析与计算，而直接采用三维有限元模型对叶轮-轴承-转子系统进行有限元建模又需要极高的计算要求，且极为繁琐。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种叶轮-轴承-转子系统的高效定量建模方法，以期实现基于不同有限元模型构建的动力学模型的位移协调，从而为大型旋转机械如航空发动机，轴流式压缩机及涡轮发动机等的建模分析求解工作提供技术支撑。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种叶轮-轴承-转子系统的高效定量建模方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、采用铁木辛柯梁有限元模型及三维实体有限元模型分别构建转轴动力学模型与叶轮动力学模型，采用五自由度集中参数模型构建滚动轴承的动力学模型；

步骤2、在所述叶轮动力学模型中的叶轮与转轴的公共连接界面上，选取至少2个周向节点序列，所述周向节点序列为所述公共连接界面上的一系列节点，且每个周向节点序列中的节点均处在垂直于转轴线方向的同一平面上，所述转轴线为转轴轴心所在的直线；

步骤3、针对每个周向节点序列，建立一个位于转轴线与相应的周向节点序列所在平面交点处的六自由度虚拟主节点，并构建由所述叶轮动力学模型中的实体节点到所述六自由度虚拟主节点的非匹配动力学模型的位移协调变换方程，通过所述位移协调变换方程将每个周向节点序列中的节点映射到对应的六自由度虚拟主节点上，并根据所述位移协调变换方程对所述叶轮动力学模型的质量、刚度与阻尼矩阵进行相应的位移协调变换，得到变换后的叶轮动力学模型；

步骤4、采用固定界面模态综合法对变换后的叶轮动力学模型的阶数进行降阶处理，得到降阶后的叶轮动力学模型；

步骤5、将降阶后的叶轮动力学模型与转轴动力学模型及滚动轴承的动力学模型进行集成，从而得到整个叶轮-轴承-转子系统的降阶模型；

步骤5.1、约束各虚拟主节点绕转轴线方向的旋转自由度；