轉(zhuǎn)子試驗臺畢業(yè)設(shè)計--立式葉盤-轉(zhuǎn)子碰摩測試實驗臺的設(shè)計與分析

1、<p>　　立式葉盤-轉(zhuǎn)子碰摩測試實驗臺的設(shè)計與分析</p><p><b>　　作者姓名： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>　　單位名稱：機(jī)械工程與自動化</p><p>　　專業(yè)名稱：機(jī)械工程及自動化</p><p>

2、<b>　　2013年6月</b></p><p>　　The design and analysis of vertical blade disc-rotor rubbing test rig </p><p>　　Northeastern University</p><p><b>　　June 2013</b>&l

3、t;/p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　立式葉盤-轉(zhuǎn)子碰摩測試實驗臺的設(shè)計與分析</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　旋轉(zhuǎn)機(jī)械是工業(yè)部門中應(yīng)用最為廣泛的一類機(jī)械設(shè)備，例如壓氣機(jī)、壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、各種工程機(jī)械以及其他許多重要機(jī)械設(shè)備都屬于這一類。葉盤-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核

4、心部件，在電力、能源、交通、石油化工以及國防等領(lǐng)域中發(fā)揮著無可替代的作用。</p><p>　　壓氣機(jī)這類大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，在運行（特別是啟動）過程中，在旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間常會發(fā)生摩擦故障，導(dǎo)致機(jī)組振動超標(biāo)甚至損壞。這種動靜件摩擦往往由其他故障引發(fā)，如轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲、轉(zhuǎn)子不對中、間隙不足等等。隨著大型機(jī)組向著高性能、高效率發(fā)展，動靜間隙變小，碰摩的可能性也隨之增加。因此研究碰摩振動的機(jī)理、正確診斷和預(yù)防

5、碰摩對機(jī)組的安全至關(guān)重要。</p><p>　　本課題首先應(yīng)用SolidWorks軟件對立式葉盤-轉(zhuǎn)子碰摩測試實驗臺進(jìn)行設(shè)計并建模。然后利用ANSYS 有限元分析軟件，對葉盤模型進(jìn)行靜力分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，分析葉盤的固有特性。再將整個試驗臺導(dǎo)入到仿真軟件ADAMS中進(jìn)行仿真，研究系統(tǒng)在正常運轉(zhuǎn)時，葉片的受力情況，并分別用剛體和柔性體葉片進(jìn)行仿真，分析其受力情況。</p><p>　

6、　關(guān)鍵詞：壓氣機(jī) 立式試驗臺 葉片 有限元 仿真 柔體 </p><p>　　The design and analysis of vertical blade disc-rotor rubbing test rig </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Rotating machinery is the

7、 most widely used class of mechanical equipment in the industrial sector , such as compressor, compressor, turbine, a variety of construction machinery and many other important mechanical equipment fall into this categor

8、y.Blade-rotor system play an irreplaceable role as a core component of rotating machinery in electric power, energy, transportation, petrochemical and defense fields.</p><p>　　For compressor and other large

9、rotating machinery, friction faults are often occur in the running (especially startup) process between the rotating parts and the stationary parts,leading to excessive of the vibration or even damage the unit.This frict

10、ion between rotor and Stator often caused by other faults, such as rotor mass unbalance, rotor bending, rotor misalignment, lack of space and so on.With large units toward high performance, high efficiency development an

11、d movement gap becomes smalle</p><p>　　First, using SolidWorks software to design and modeling the vertical blade disc-rotor rubbing test rig.Then, using the finite element analysis software ANSYS, blade dis

12、k model for static analysis, modal analysis and harmonic response analysis, analysis of the inherent characteristics of blade discs.Then imported the rig into the software ADAMS to simulation.Researching the forces on t

13、he blade during the systems normal operation.The blade of rigid and flexible bodies were used to simulate, and a</p><p>　　Keywords: Compressor,Vertical Test Rig,Blade,Finite Element,Simulation,Flexible body.

14、</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景及意義1</p>

15、<p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)1</p><p>　　1.2.1 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)1</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)2</p><p>　　1.3 本課題研究目的及主要研究內(nèi)容2</p><p>　　第2章 應(yīng)用理論及軟件概述3</p><p>　　2

16、.1 SOLIDWORKS簡介3</p><p>　　2.1.1 SOLIDWORKS概述3</p><p>　　2.1.2 SOLIDWORKS建模簡介3</p><p>　　2.2 ANSYS簡介4</p><p>　　2.2.1 ANSYS軟件特點4</p><p>　　2.2.2 ANSYS在機(jī)械領(lǐng)域

17、的應(yīng)用5</p><p>　　2.3 ADAMS的理論基礎(chǔ)和求解方法5</p><p>　　2.3.1 ADAMS軟件簡介5</p><p>　　2.3.2 ADAMS的理論基礎(chǔ)和求解方法7</p><p>　　2.3.3 ADAMS 軟件的特點8</p><p>　　第3章 設(shè)計與外購件選用9</p

18、><p>　　3.1 葉盤-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計9</p><p>　　3.1.1 葉盤的設(shè)計10</p><p>　　3.1.2 軸的設(shè)計13</p><p>　　3.2 軸承的選用14</p><p>　　3.3 箱體的設(shè)計14</p><p>　　3.4 滑臺的設(shè)計16</p>

19、<p>　　3.5 機(jī)匣的模擬16</p><p>　　3.6 電機(jī)的選用17</p><p>　　3.7 試驗臺裝配17</p><p>　　第4章 葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有特性分析19</p><p>　　4.1系統(tǒng)建模19</p><p>　　4.2 靜力分析19</p><

20、p>　　4.2.1 靜力分析基礎(chǔ)19</p><p>　　4.2.2 施加邊界約束和載荷23</p><p>　　4.2.3 求解分析以及結(jié)果后處理23</p><p>　　4.3 系統(tǒng)模態(tài)分析25</p><p>　　4.3.1 模態(tài)分析基礎(chǔ)25</p><p>　　4.3.2 模態(tài)分析過程26&l

21、t;/p><p>　　4.3.3 帶有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析結(jié)果27</p><p>　　4.4 系統(tǒng)諧響應(yīng)分析32</p><p>　　4.4.1 諧響應(yīng)分析基礎(chǔ)32</p><p>　　4.4.2 諧響應(yīng)分析步驟34</p><p>　　4.4.3 利用ANSYS對轉(zhuǎn)子諧響應(yīng)分析的結(jié)果34</p>&

22、lt;p><b>　　4.5 小結(jié)36</b></p><p>　　第5章 基于ADAMS軟件對實驗系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析37</p><p>　　5.1 多體系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ)37</p><p>　　5.2 對試驗臺運用ADAMS進(jìn)行剛體運動仿真38</p><p>　　5.2.1仿真步驟38</p>

23、;<p>　　5.2.2 仿真結(jié)果40</p><p>　　5.3對實驗臺運用ADAMS進(jìn)行柔性體運動仿真42</p><p>　　5.3.1 仿真步驟42</p><p>　　5.3.2 仿真結(jié)果42</p><p>　　5.4 兩種模型的仿真結(jié)果分析44</p><p><b>　

24、　5.5 小結(jié)45</b></p><p>　　第六章 總結(jié)與展望46</p><p><b>　　6.1 總結(jié)46</b></p><p><b>　　6.2 展望46</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)47</b></p>&l

25、t;p><b>　　致 謝48</b></p><p>　　附錄 英文資料及翻譯49</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題背景及意義</p><p>　　旋轉(zhuǎn)機(jī)械是工業(yè)部門中應(yīng)用最為廣泛的一類機(jī)械設(shè)備，例如壓氣機(jī)、壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、各種工程機(jī)械以

26、及其他許多重要機(jī)械設(shè)備都屬于這一類。葉盤-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心部件，在電力、能源、交通、石油化工以及國防等領(lǐng)域中發(fā)揮著無可替代的作用。</p><p>　　以壓氣機(jī)為例，這類大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，在運行（特別是啟動）過程中，在旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間常會發(fā)生摩擦故障，導(dǎo)致機(jī)組振動超標(biāo)甚至損壞。這種動靜件摩擦往往由其他故障引發(fā)，如轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲、轉(zhuǎn)子不對中、間隙不足等等[1]。隨著大型機(jī)組向著高性能、高效率發(fā)

27、展，動靜間隙變小，碰摩的可能性也隨之增加。因此研究碰摩振動的機(jī)理、正確診斷和預(yù)防碰摩對機(jī)組的安全至關(guān)重要。 </p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)</p><p>　　1.2.1 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)</p><p>　　壓氣機(jī)是在工質(zhì)參數(shù)變化范圍很寬的條件下工作的大功率部件，也是發(fā)動機(jī)試驗中耗費最大、測試技術(shù)較復(fù)雜的部件，其試驗任務(wù)十分廣

28、泛，與理論計算值得相互一致性也在不斷提高。</p><p>　　美國在發(fā)展高壓壓氣機(jī)過程中, 不僅是流場分析模擬技術(shù)發(fā)揮了重要作用, 而且, 試驗研究技術(shù)也發(fā)揮了重要作用, 甚至可以說發(fā)揮了更重要的作用。正是二者緊密結(jié)合, 共同不斷發(fā)展、完善、提高,才達(dá)到了今天如此強(qiáng)大、高水平的研制能力。例如，為研制高壓壓氣機(jī), GE公司還創(chuàng)造了一套專門的試驗研究技術(shù), 即低速大尺寸壓氣機(jī)試驗技術(shù)。由于真實高壓壓氣機(jī)后幾級葉片和

29、通道尺寸很小,很難對流場進(jìn)行準(zhǔn)確測量, 于是, 想到將其放大, 即按某種意義下的流動相似準(zhǔn)則, 將高速小尺寸的真實壓氣機(jī)轉(zhuǎn)換為低速大尺寸模型, 在低速大尺寸條件下對流場細(xì)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確測量, 發(fā)現(xiàn)不足之處, 在改進(jìn)后再在低速下作試驗; 待取得滿意結(jié)果后, 再轉(zhuǎn)換到高速小尺寸。GE公司利用該技術(shù)提出了定制(Tailored)葉型概念, 意即像裁縫那樣量體裁衣、做出最合身的衣服。低速大尺寸壓氣機(jī)試驗技術(shù)在E3發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)的研制中發(fā)揮了重要作

30、用[2]。</p><p>　　國外航空發(fā)達(dá)國家相關(guān)壓氣機(jī)試驗設(shè)備，如俄羅斯中央航空發(fā)動機(jī)研究院的多級壓氣機(jī)模型試驗器，最大轉(zhuǎn)速為3500r/min;最大功率1000kW;英國的艾利遜發(fā)動機(jī)公司的小比例風(fēng)扇試驗器，最大轉(zhuǎn)速達(dá)45000r/min，最大功率約200kW;國外這些發(fā)動機(jī)公司擁有較完善的配套硬件設(shè)備，積累了大量寶貴的試驗數(shù)據(jù)和試驗技術(shù)，為新機(jī)種的開發(fā)研制預(yù)先解決了多項關(guān)鍵技術(shù)，從而縮短了新機(jī)的研制周期[

31、3]。</p><p>　　近年來，隨著高增壓比、高效率、低噪聲、抗高畸變以及高可靠性的壓氣機(jī)的研究，使壓氣機(jī)實驗技術(shù)有很大發(fā)展。諸如NASA采用高靈敏度測量儀表在相對流為超聲速的葉片中產(chǎn)生強(qiáng)激波的情況下，測量外側(cè)機(jī)匣上的靜壓；測量高載荷、高馬赫數(shù)靜子葉柵的損失大小和損失分布；采用激光雙光束聚焦測速方法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)葉柵氣流流動過程及匹配的研究，用以校準(zhǔn)和矯正跨聲速葉柵氣流的理論計算；測定壓氣機(jī)對進(jìn)口畸變的反應(yīng)和容忍能

32、力，以擴(kuò)大它在較大畸變下的穩(wěn)定工作范圍；測定減少壓氣機(jī)噪聲諸方法的有效性；采用動態(tài)射線攝影測定葉尖間隙；采用全息顯示技術(shù)測定導(dǎo)致葉片穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)脈動的氣動力并用以研究跨聲速流中的激波運動以及進(jìn)行提高壓氣機(jī)承載能力的實驗研究等[4]。</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)</p><p>　　我國目前己建有不同功率等級、不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的壓氣機(jī)試驗臺架，為航空發(fā)動機(jī)的定型、預(yù)

33、研做了大量試驗與驗證。如中國燃?xì)鉁u輪研究院現(xiàn)有的某壓氣機(jī)試驗器和606所現(xiàn)有的某壓氣機(jī)試驗器等。但與國外同類試驗器相比，還有較大的差距，同時，由于試驗器自身條件的限制，無法展開彈用和無人機(jī)用發(fā)動機(jī)風(fēng)扇/壓氣機(jī)部件性能試驗[5]。</p><p>　　隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，對壓氣機(jī)試驗設(shè)備的能力和要求越來越高，現(xiàn)有國內(nèi)試驗器與國外先進(jìn)壓氣機(jī)設(shè)備相比，在試驗?zāi)芰头秶霞皽y試手段存在一定的差距，如果不及時改進(jìn)，跟上

34、時代發(fā)展的需要，那么在未來高增壓比壓氣機(jī)的試驗研究領(lǐng)域?qū)⒃絹碓铰浜螅瑥亩绊懙桨l(fā)動機(jī)整機(jī)研制的步伐。</p><p>　　1.3本課題研究目的及主要研究內(nèi)容</p><p>　　本課題以壓氣機(jī)葉盤-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計可以進(jìn)行碰摩測試的立式試驗臺，并應(yīng)用CAXA、SolidWorks軟件對該試驗臺進(jìn)行二維圖繪制以及建立其三維模型。然后運用ANSYS軟件對葉盤-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行靜力分析、模態(tài)

35、分析和諧響應(yīng)分析，最后運用ADAMS軟件對該試驗臺進(jìn)行運動仿真分析。</p><p>　　第2章 應(yīng)用理論及軟件概述</p><p>　　2.1 SOLIDWORKS簡介</p><p>　　2.1.1 SOLIDWORKS概述</p><p>　　SolidWorks為達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負(fù)

36、責(zé)研發(fā)與銷售機(jī)械設(shè)計軟件的視窗產(chǎn)品。達(dá)索公司是負(fù)責(zé)系統(tǒng)性的軟件供應(yīng)，并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務(wù)。該集團(tuán)提供涵蓋整個產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等各個領(lǐng)域中的最佳軟件系統(tǒng)，著名的CATIAV5就出自該公司之手，目前達(dá)索的CAD產(chǎn)品市場占有率居世界前列。</p><p>　　2.1.2 SOLIDWORKS建模簡介 </p><p>　

37、　在SolidWorks軟件里有零件建模、裝配體、工程圖等基本模塊，因為SolidWorks 軟件是一套基于特征的、參數(shù)化的三維設(shè)計軟件，符合工程設(shè)計思維，并可以與 CAMWorks 及 DesignWork 等模塊構(gòu)成一套設(shè)計與制造結(jié)合的CAD/CAM/CAE 系統(tǒng)，使用它可以提高設(shè)計精度和設(shè)計效率；可以用插件的形式加進(jìn)其他專業(yè)模塊(如工業(yè)設(shè)計、模具設(shè)計、管路設(shè)計等)。 </p><p>　　其特征是指可以用參

38、數(shù)驅(qū)動的實體模型，是一個實體或者零件的具體構(gòu)成之一，對應(yīng)一形狀，具有工程上的意義；因此這里的基于特征就是零件模型是由各種特征生成的，零件的設(shè)計其實就是各種特征的疊加。參數(shù)化是指對零件上各種特征分別進(jìn)行各種約束，各個特征的形狀和尺寸大小用變量參數(shù)來表示，其變量可以是常數(shù)，也可以是代數(shù)式；若一個特征的變量參數(shù)發(fā)生變化，則這個零件的這一個特征的幾何形狀或者尺寸大小將發(fā)生變化，與這個參數(shù)有關(guān)的內(nèi)容都自動改變，用戶不需要自己修改。 </p&

39、gt;<p>　　下面是零件建模、裝配體等基本模塊的特點：</p><p>　　(1)零件建模：SolidWorks提供了基于特征的、參數(shù)化的實體建模功能，可以通過特征工具進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、抽殼、陣列、拉伸切除、掃描、掃描切除、放樣等操作完成零件的建模。建模后的零件，可以生成零件的工程圖，還可以插入裝配體中形成裝配關(guān)系，并且生成數(shù)控代碼，直接進(jìn)行零件加工。 </p><p>　

40、　(2)裝配體：在SolidWorks中自上而下生成新零件時，要參考其他零件并保持這種參數(shù)關(guān)系，在裝配環(huán)境里，可以方便地設(shè)計和修改零部件。在自下而上的設(shè)計中，可利用已有的三維零件模型，將兩個或者多個零件按照一定的約束關(guān)系進(jìn)行組裝，形成產(chǎn)品的虛擬裝配，還可以進(jìn)行運動分析、干涉檢查等，因此可以形成產(chǎn)品的真實效果圖[5]。 </p><p>　　2.2 ANSYS簡介</p><p>　　2.2

41、.1 ANSYS軟件特點</p><p>　　在目前的大型通用有限元分析軟件中，美國的ANSYS軟件是最為通用有效的商業(yè)有限元軟件之一。其強(qiáng)大的分析功能、友好的操作界面以及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域已使得該大型通用有限元軟件越來越受到矚目。ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁多場耦合等分析技術(shù)為一體的通用有限元軟件，ANSYS已應(yīng)用到全世界的諸多領(lǐng)域，涉及航空航天、汽車、船舶、通信、建筑結(jié)構(gòu)、通用機(jī)械、醫(yī)療器械及電子電氣等

42、。ANSYS軟件從20世紀(jì)70年代誕生至今，經(jīng)過了30多年的發(fā)展，已經(jīng)被全球工業(yè)界所廣泛接受。</p><p>　　ANSYS作為功能強(qiáng)大的、應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件，其功能主要體現(xiàn)在一下幾個方面：</p><p>　　(1)數(shù)據(jù)統(tǒng)一。ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲幾何模型、有限元模型、材料參數(shù)、外載及結(jié)果數(shù)據(jù)，從而保證了前后處理、分析求解及多場耦合分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。</p>

43、<p>　　(2)強(qiáng)大的求解功能。ANSYS提供了多種求解器，用戶可以根據(jù)具體的分析問題選擇合適的求解器。</p><p>　　(3)強(qiáng)大的非線性分析功能。ANSYS具有強(qiáng)大的非線性分析功能，可進(jìn)行幾何非線性、材料非線性及接觸非線性分析等。</p><p>　　(4)多種網(wǎng)格劃分方式。ANSYS提供了free網(wǎng)格劃分、map網(wǎng)格劃分、sweep網(wǎng)格劃分等多種網(wǎng)格劃分方式，可根據(jù)

44、模型的特點選擇合適的網(wǎng)格劃分方式。</p><p>　　(5)獨特的優(yōu)化功能。利用ANSYS優(yōu)化設(shè)計模塊，對結(jié)構(gòu)的拓?fù)洹⑿蚊?、材料進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)的涉及方案。</p><p>　　(6)多場耦合功能。ANSYS可以實現(xiàn)多場的耦合分析，研究各無物理場間的相互影響。</p><p>　　(7)友好的程序接口。ANSYS提供了與主流CAD軟件及其他有限元分析的接口程序，

45、可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出，如Pro／Engineer、NASTRAN、UniGraphics、I-DEAS、AutoCAD、SolidWorks等。</p><p>　　(8)良好的用戶開發(fā)環(huán)境。ANSYS提供了便利的二次開發(fā)平臺，用戶可以利用APDL、UIDL和UPFs等對其進(jìn)行二次開發(fā)。</p><p>　　2.2.2 ANSYS在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用</p><p>

46、;　　ANSYS在機(jī)械領(lǐng)域主要用于確定結(jié)構(gòu)在載荷作用下的靜力、動力、熱和流動等行為，研究結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性等問題。較常見的有一下幾類：</p><p>　　(1) 強(qiáng)度、剛度問題</p><p>　　分析結(jié)構(gòu)在靜態(tài)和動態(tài)外載荷作用下的應(yīng)力和應(yīng)變，評估其安全性，避免結(jié)構(gòu)的斷裂破壞。該類問題主要涉及ANSYS的結(jié)構(gòu)分析模塊，可以考慮結(jié)構(gòu)的線性及非線性特性。例如，大變形、應(yīng)力剛化、接觸、

47、塑性、超彈性及蠕變等。</p><p>　　(2) 振動、噪聲問題</p><p>　　研究結(jié)構(gòu)的振動特性，以及在隨時間變化載荷作用下的動態(tài)相應(yīng)，以尋求隔振、降噪的解決方案。該類問題主要涉及ANSYS的動力學(xué)、聲學(xué)分析模塊。</p><p>　　(3) 熱、熱變形問題</p><p>　　分析物體在熱源作用下的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度分布，以及改溫度分

48、布下結(jié)構(gòu)的熱變形，以獲取該結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)性能，校驗是否能達(dá)到設(shè)計的要求。該類問題主要涉及ANSYS的熱、熱-結(jié)構(gòu)耦合分析模塊。</p><p><b>　　(4) 流動問題</b></p><p>　　確定結(jié)構(gòu)流體介質(zhì)的流動及熱行為，分析流動對結(jié)構(gòu)安全性能、密封性能等的影響，以保證結(jié)構(gòu)的性能滿足設(shè)計的需要。該類問題主要涉及ANSYS的流體、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析模塊。</

49、p><p>　　(5) 沖擊、碰撞、金屬成形問題</p><p>　　對沖擊、碰撞、金屬成形過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析，校驗其安全性能，兵提前預(yù)示結(jié)構(gòu)的缺陷與不足，以及時修改設(shè)計，節(jié)約研發(fā)時間，縮短研發(fā)費用。這類問題主要涉及ANSYS的顯示動力學(xué)分析模塊[6]。</p><p>　　2.3 ADAMS的理論基礎(chǔ)和求解方法</p><p>　　2.3.1

50、 ADAMS軟件簡介</p><p>　　ADAMS是較權(quán)威的機(jī)械系統(tǒng)仿真設(shè)計軟件，工程中可利用ADAMS 交互式圖形環(huán)境、零件約束、力庫等建立機(jī)械系統(tǒng)三維參數(shù)化模型，并通過對其運動性能進(jìn)行高精度逼真的仿真分析和比較，研究“虛擬樣機(jī)”可供選擇的多種設(shè)計方案。ADAMS 自動輸出位移、速度、加速度和作用力，其仿真結(jié)果可顯示為逼真的動畫或X-Y曲線圖形，ADAMS 仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、包

51、裝、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷，支持ADAMS 同大多數(shù)CAD、FLEX(柔性模塊)及控制設(shè)計軟件包之間的雙向通訊。</p><p>　　ADAMS 的核心配置方案是核心仿真軟件包，它包括交互式圖形用戶界面ADAMS／View 和仿真核心的求解器ADAMS／Solver 等。ADAMS／View 是ADAMS 系列產(chǎn)品的交互式圖形環(huán)境，采用簡單的分級方式或建模工作。仿真結(jié)果采用強(qiáng)有力的、形象直觀的方式描述虛

52、擬樣機(jī)的動力學(xué)性能，并將分析結(jié)果進(jìn)行形象化輸出。CAD 幾何造型可通過IGES 接口輸入進(jìn)ADAMS／View, ADAMS／View 的輸出選項可以是曲線圖、著色的或線框式的動畫顯示及輸出到Exchange 接口視頻顯示器或WAVE--FRONT 軟件接口。ADAMS／Solver 是位于ADAMS 產(chǎn)品系列心臟地位的仿真“發(fā)動機(jī)”。該軟件自動形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動力學(xué)方程，并提供靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的解算結(jié)果。ADAMS／Solve

53、r 有各種建模和求解選項，以便精確有效地解決各種問題它可以對剛體和彈性體進(jìn)行仿真研究。為了進(jìn)行有限元分析和控制系統(tǒng)研究，用戶除要求軟件輸出位移、速度、加速度和力外，還可要求模塊輸出用戶自己定義的數(shù)據(jù)，可以通過運動副、隨機(jī)運動、高副接觸、用戶自定義的子程序等添加不同的約束，還可同時求解運動</p><p>　　ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System

54、)軟件是美國MDI (Mechanical Dynamic Inc.)公司(現(xiàn)己被MSC合并)開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件，它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以

55、及有限元的輸入載荷等。它的核心仿真軟件包括交互式圖形環(huán)境ADAMS/View和仿真求解器ADAMS/Solver，以及其他擴(kuò)展模塊。</p><p>　　ADAMS/View(界面模塊)是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，它提供豐富的零件幾何圖形庫、約束庫和力庫，將便捷的圖標(biāo)操作、菜單操作、鼠標(biāo)點取操作與交互式圖形建模、仿真計算、動畫顯示、優(yōu)化設(shè)計、X-Y 曲線圖處理、結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集成在一起。</p

56、><p>　　ADAMS/Solver(求解器)是ADAMS軟件的仿真“發(fā)動機(jī)”，它自動形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的解算結(jié)果。ADAMS/Solver有各種建模和求解選項，以便精確有效地解決各種工程問題。</p><p>　　ADAMS/Car轎車模塊)是MDI公司與Audi、BMW和Renault等公司合作開發(fā)地整車設(shè)計模塊，它能夠快速建造高精度地整車虛擬樣機(jī)，

57、其中包括車身、懸架、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動系統(tǒng)等，可以通過高速動畫直觀再現(xiàn)各種試驗工況下整車地動力學(xué)響應(yīng)，并輸出標(biāo)志操縱穩(wěn)定性、制動性、平順性和安全性地特征參數(shù)。</p><p>　　2.3.2 ADAMS的理論基礎(chǔ)和求解方法</p><p>　　動力學(xué)方程的求解速度很大程度上取決于廣義坐標(biāo)的選擇。ADAMS用剛體的質(zhì)心笛卡兒坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角(或廣義歐拉角)作為廣義坐標(biāo)

58、。</p><p>　　在進(jìn)行動力學(xué)分析時，ADAMS采用兩種算法:</p><p>　　(1)提供三種功能強(qiáng)大的變階、變步長積分求解程序:GSTIFF積分器，DSTIFF積分器和BDF積分器來求解稀疏藕合的非線性微分代數(shù)方程，這種方法適于模擬剛性系統(tǒng)(特征值變化范圍大的系統(tǒng))</p><p>　　(2)提供ABAM積分求解程序，采用坐標(biāo)分離算法，來求解獨立坐標(biāo)的微

59、分方程，這種方法適于模擬特征值經(jīng)歷突變的系統(tǒng)或高頻系統(tǒng)。對應(yīng)于前面所述的機(jī)械系統(tǒng)三種不同性質(zhì)的分析，ADAMS軟件也有相應(yīng)的各種方程建立方法。</p><p>　　在對系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)、靜力學(xué)分析之前，ADAMS自動進(jìn)行初始條件分析，以便在初始系統(tǒng)模型中各物體的坐標(biāo)與各種運動學(xué)約束之間達(dá)成協(xié)調(diào)，這樣可以保證系統(tǒng)滿足所有的約束條件。初始條件分析通過求解相應(yīng)的位置、速度、加速度目標(biāo)函數(shù)的最小值得到。</p>

60、<p>　　2.3.3 ADAMS 軟件的特點</p><p>　　具體地說,ADAMS 軟件具有如下特點：</p><p>　　a ) ADAMS 具有先進(jìn)的數(shù)值分析技術(shù)和強(qiáng)有力的求解器，其動力學(xué)數(shù)值積分有</p><p>　　極強(qiáng)的適應(yīng)性，積分步長和輸出步長無關(guān)，用戶可以成功地進(jìn)行高頻輸出。</p><p>　　b) 分析類

61、型包括運動學(xué)、靜力學(xué)、準(zhǔn)靜力學(xué)、動力學(xué)分析。其靜平衡法包括多種級別積分，因此當(dāng)一種積分方法失效后，軟件就自動開始進(jìn)行第二次積分。解算器可以處理病態(tài)矩陣。</p><p>　　c) 具有二維和三維建模能力。</p><p>　　d) 具有五十多種聯(lián)結(jié)副、力和運動發(fā)生器組成的庫。</p><p>　　E) 具有組裝、分析和動態(tài)顯示不同模型或同一模型的某一變化過程。<

62、;/p><p>　　f) 具有開發(fā)式結(jié)構(gòu)，允許用戶集成自己的子程序。</p><p>　　g) 具有一個強(qiáng)大的函數(shù)庫，供用戶自定義力和運動發(fā)生器。</p><p>　　h) 有限元載荷的輸出接口，ADAMS 運動時，剛體和柔體模型的載荷都可直接</p><p>　　輸出ANSYS、NASTRAN 或ABAQUS 兼容的格式。</p>

63、<p>　　i) 表面接觸功能可自動檢測接觸是否發(fā)生并作出響應(yīng)。</p><p>　　j) 通過采用全局定位圖識別過約束系統(tǒng)，功能更強(qiáng)，精度更高。</p><p>　　鑒于 ADAMS 軟件的上述特點，目前在整個商品化的多體軟件的銷售中，市場占有率最高，其中汽車行業(yè)的使用率約為43％[7]。</p><p>　　第3章 設(shè)計與外購件選用</p>

64、;<p>　　3.1 葉盤-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　壓氣機(jī)作用是吸入并壓縮空氣，為燃?xì)馀蛎涀龉?chuàng)造條件。壓氣機(jī)由轉(zhuǎn)子和靜子組成。轉(zhuǎn)子由工作葉片、輪盤（鼓筒）、軸和一些連接件組成。轉(zhuǎn)子可有三種基本結(jié)構(gòu)形式：鼓式、盤式和盤鼓混合式，如圖3.1。下面分別介紹一下各種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特點[8]。</p><p>　　a. 鼓式 b.盤式

65、 c.盤鼓混合式</p><p>　　圖3.1 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的基本形式</p><p><b>　　1. 鼓式轉(zhuǎn)子</b></p><p>　　鼓式轉(zhuǎn)子的基本構(gòu)件就是一個圓柱形或圓錐形鼓筒，鼓筒的前后再分別與轉(zhuǎn)軸連接在一起。鼓筒的外表面加工有安裝壓氣機(jī)工作葉片的周向或軸向榫槽，一般為燕尾形。工作時，作用在轉(zhuǎn)子上的負(fù)荷由鼓筒承受和傳遞

66、。CFM56發(fā)動機(jī)的增壓級就是鼓筒式結(jié)構(gòu)，在鼓筒上加工有安裝工作葉片的燕尾形榫槽。V2500發(fā)動機(jī)風(fēng)扇后的增壓級轉(zhuǎn)子也采用了鼓式結(jié)構(gòu)。鼓筒式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)目少，且具有較高的抗彎曲剛性。但根據(jù)對鼓筒的受力分析和強(qiáng)度計算可知，在實際工作中，由于材料硬度的影響，鼓筒的旋轉(zhuǎn)速度要受到限制。目前鼓筒式轉(zhuǎn)子的圓周速度一般不超過200米/秒，所以鼓筒式轉(zhuǎn)子的使用就受到限制，一般只在轉(zhuǎn)速低的低壓轉(zhuǎn)子上采用。</p><p>

67、;<b>　　2. 盤式轉(zhuǎn)子</b></p><p>　　盤式轉(zhuǎn)子由一個或一組盤與轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)軸上的扭矩傳給盤，盤上加工有安裝工作葉片的榫槽。與鼓筒式轉(zhuǎn)子相比，盤的強(qiáng)度高，但把多個盤連接后所形成的的轉(zhuǎn)子的抗彎曲強(qiáng)度低，容易產(chǎn)生振動。所以，在實際發(fā)動機(jī)上單級盤式轉(zhuǎn)子應(yīng)用得較多。羅·羅公司的許多發(fā)動機(jī)也都采用了單級風(fēng)扇盤結(jié)構(gòu)，如AE3007的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子就是單盤式。當(dāng)采用多級盤式結(jié)構(gòu)時，通

68、常都要采取增強(qiáng)轉(zhuǎn)子剛度的措施。</p><p>　　3. 盤鼓混合式轉(zhuǎn)子</p><p>　　轉(zhuǎn)子由盤、鼓筒和軸共同組成，一般把盤和鼓做成一體。這種轉(zhuǎn)子既有盤式轉(zhuǎn)子強(qiáng)度好的特點，又有鼓式轉(zhuǎn)子抗彎曲剛性高的優(yōu)點，因此在壓氣機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。盤鼓混合式轉(zhuǎn)子通常由3-12級盤組成，每級之間靠螺栓連接或焊接在一起，盤緣上加工有周向或軸向榫槽。</p><p>　　3.1

69、.1 葉盤的設(shè)計</p><p>　　本試驗臺采用盤鼓混合式轉(zhuǎn)子。如圖3.2所示[9]。</p><p>　　圖3.2 盤鼓混合式轉(zhuǎn)子</p><p>　　為了便于設(shè)計以及實驗的需要，只做1級盤。運用SolidWorks軟件進(jìn)行系統(tǒng)建模，如下圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 葉盤-葉片系統(tǒng)</p><p>

70、　　整個系統(tǒng)由葉盤、葉片、葉片卡件、卡緊塊組成。</p><p>　　葉盤剖面圖如下圖3.4所示，這樣的結(jié)構(gòu)有利于降低盤的重量，能有效的減輕轉(zhuǎn)子的重量。壓氣機(jī)工作過程中，盤的應(yīng)力主要受三個力的影響：葉片離心力所產(chǎn)生的應(yīng)力、盤本身的慣性所產(chǎn)生的應(yīng)力以及由于從盤心孔到盤緣梯度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。一般來說，轉(zhuǎn)速增加時，盤溫度的升高是從輪緣到盤心逐步升高的，即輪緣先于盤心熱起來；而減速時，則正好相反，輪緣要比盤心冷得快。

71、這種溫度的變化就產(chǎn)生熱應(yīng)力。盤的厚度尺寸越大，則熱響應(yīng)越慢，相應(yīng)的熱應(yīng)力就越大。本試驗臺暫不考慮熱應(yīng)力影響，所以要在保證其強(qiáng)度的前提下，盡可能的減輕葉盤的重量[10]。</p><p>　　圖3.4 葉盤剖面圖</p><p>　　工作葉片在轉(zhuǎn)子上的固定方式有多種，但典型的是燕尾形榫頭和榫槽的配合。榫槽有兩種，一種是軸向，一種是周向，如圖3.5。采用軸向榫槽安裝后，靠鎖片來防止葉片的軸向移

72、動。采用周向榫槽，葉片在槽內(nèi)可以周向移動，這通常靠鎖緊螺栓和螺帽來固定，一般一周上有兩處鎖緊。相應(yīng)裝鎖緊螺帽處，葉片的葉根平臺上有開口。軸向燕尾槽與周向燕尾槽相比，軸向燕尾槽更復(fù)雜，加工費用高，一般需要拉削加工。但軸向燕尾形榫頭的長度和寬度均大于周向燕尾榫頭，因而，其強(qiáng)度高，更能抵抗外來物損傷，能承受更大的載荷，所以一般在壓氣機(jī)的前幾級采用。而壓氣機(jī)的后面那些級，葉片較小，相應(yīng)的離心負(fù)荷小，因此，常采用周向燕尾槽結(jié)構(gòu)。周向燕尾槽具有簡單

73、、加工費用低的特點。另外，當(dāng)打開壓氣機(jī)機(jī)匣后，這種結(jié)構(gòu)還允許單獨更換某一級的工作葉片，為發(fā)動機(jī)維護(hù)修理提供了方便[11]。</p><p>　　a.軸向燕尾形榫槽 b.周向燕尾形榫槽</p><p>　　圖3.5 燕尾榫槽的結(jié)構(gòu)</p><p>　　本試驗臺采用的葉片安裝方式如下圖3.6所示。</p><p>

74、　　圖3.6 葉片固定方式</p><p>　　盤的兩側(cè)連接盤凸，如下圖3.7所示，用于連接軸，便于加工及安裝。</p><p><b>　　圖3.7 葉盤凸緣</b></p><p>　　3.1.2 軸的設(shè)計</p><p>　　薄壁軸如圖3.8所示。</p><p><b>　?。╝

75、）上軸</b></p><p><b>　?。╞）下軸</b></p><p><b>　　圖3.8 軸</b></p><p>　　由于本試驗臺是立式結(jié)構(gòu)，下軸需與安裝在最下的發(fā)動機(jī)相連，因為是薄壁空心結(jié)構(gòu)，不能采用一般的鍵，故采用了上圖所示類似花鍵的結(jié)構(gòu)，用以連接聯(lián)軸器。</p><p&

76、gt;　　軸的端部凸緣通過螺栓與盤凸相連。</p><p><b>　　3.2 軸承的選用</b></p><p>　　立式轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的布置及承載情況和臥式轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在較大差異，如：在理想對稱情況下，轉(zhuǎn)子不受徑向力作用，軸承載荷為零，軸心位于軸承中心而處于不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量偏心時，又會使徑向載荷的方向不斷變化。以上因素導(dǎo)致很多在臥式軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中使用比較成熟的設(shè)

77、計計算和試驗方法無法應(yīng)用在立式結(jié)構(gòu)的軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中[12,13]。</p><p>　　所以，相對于臥式碰摩試驗臺，立式試驗臺在軸承的選擇上有所不同。</p><p>　　首先，上軸與下軸均選用角接觸球軸承7015AC。</p><p>　　本實驗臺中，根據(jù)實際情況，轉(zhuǎn)速定為3000r/min。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)質(zhì)量約為3.45kg。</p><p>

78、<b>　　根據(jù)軸承壽命公式</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　計算可得，此軸承壽命為1.5×1010h。符合設(shè)計需求。</p><p>　　角接觸球軸承可同時承受徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷。能在較高的轉(zhuǎn)速下工作。接觸角越大，軸向承載能力越高。高精度和高速軸承通常取15度接觸角。

79、在軸向力作用下，接觸角會增大。單列角接觸球軸承只能承受一個方向的軸向負(fù)荷，在承受徑向負(fù)荷時，將引起附加軸向力。 并且只能限制軸或外殼在一個方向的軸向位移。若是成對雙聯(lián)安裝，使一對軸承的外圈相對，即寬端面對寬端面，窄端面對窄端面。這樣即可避免引起附加軸向力，而且可在兩個方向使軸或外殼限制在軸向游隙范圍內(nèi)。</p><p>　　其次，由于試驗臺的立式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)會受到軸向力作用，所以采用了推力球軸承51208。&l

80、t;/p><p>　　同理，可得其壽命為1.49×107h。滿足設(shè)計要求。</p><p>　　推力球軸承采用高速運轉(zhuǎn)時可承受推力載荷的設(shè)計，由帶有球滾動的滾道溝的墊圈狀套圈構(gòu)成。由于套圈為座墊形，因此，推力球軸承被分為平底座墊型和調(diào)心球面座墊型兩種類型。另外，這種軸承可承受軸向載荷，但不能承受徑向載荷。</p><p><b>　　3.3 箱體的設(shè)

81、計</b></p><p><b>　　如圖3.9所示。</b></p><p><b>　　圖3.9 箱體</b></p><p>　　因為試驗臺尺寸比較大，為了使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，采用角鋼構(gòu)建整體框架。</p><p>　　下方的板起到軸承座的作用，如圖3.10。</p>&l

82、t;p>　　圖3.10 箱體上視</p><p>　　整個外殼采用固定角鐵與下方的板連接并固定，每側(cè)2個共計4個。如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11 固定角鐵</p><p><b>　　3.4 滑臺的設(shè)計</b></p><p>　　根據(jù)葉片及試驗臺箱體相對位置與尺寸，以及考慮到更換不同尺寸不同類

83、型的葉片來用于試驗的情況，選用合適尺寸的絲杠及合適的交流調(diào)速電機(jī)。如下圖3.12。</p><p><b>　　圖3.12 滑臺</b></p><p><b>　　3.5 機(jī)匣的模擬</b></p><p>　　本課題研究葉盤-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的碰摩，壓氣機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械，在運行（特別是啟動）過程中，在旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間常會發(fā)生

84、摩擦故障。隨著大型機(jī)組向著高性能、高效率發(fā)展，動靜件間隙變小，碰摩的可能性也隨之增加。本試驗臺需要模擬碰摩過程，所以要建立機(jī)匣的模型。另外，在本試驗臺中，并不需要建立機(jī)匣的整體模型，模擬其一部分就可以滿足實驗所需，如圖3.13。</p><p><b>　　圖3.13 機(jī)匣</b></p><p>　　機(jī)匣的另一側(cè)安裝力傳感器，用于收集試驗數(shù)據(jù)，并與滑臺相連接。<

85、;/p><p>　　實驗時，機(jī)匣在控制系統(tǒng)的控制下，通過滑臺使其移動，與葉片碰撞摩擦，模擬碰摩過程，通過力傳感器采集實驗數(shù)據(jù)。分析實驗數(shù)據(jù)，得到實驗結(jié)果。</p><p><b>　　3.6 電機(jī)的選用</b></p><p>　　根據(jù)第五章ADAMS仿真結(jié)果及公式</p><p><b>　　式中：</b&

86、gt;</p><p>　　T——轉(zhuǎn)矩，由圖5.14，約為10000N·m；</p><p>　　n——轉(zhuǎn)速，3000r/min；</p><p>　　計算所需電機(jī)功率。結(jié)果約為3.2kW。</p><p>　　試驗臺底部，用于驅(qū)動軸的電機(jī)選用Y2112MB5。其額定功率4kW，額定轉(zhuǎn)速3000r/min。</p>&

87、lt;p>　　滑臺電機(jī)選用西門子V80伺服電機(jī)1FL4032-0AF21-0AA0。額定功率200W，額定轉(zhuǎn)速3000r/min。</p><p><b>　　3.7 試驗臺裝配</b></p><p>　　試驗臺的整體裝配如圖3.14所示。</p><p>　　其中左側(cè)試驗臺用于支承滑臺、安放計算機(jī)及其他實驗設(shè)備。</p>

88、<p><b>　　圖3.14 試驗臺</b></p><p>　　第4章 葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有特性分析</p><p><b>　　4.1系統(tǒng)建模</b></p><p>　　本試驗臺采用盤鼓混合式轉(zhuǎn)子，為了方便試驗與設(shè)計，只做1級盤。運用SolidWorks軟件進(jìn)行系統(tǒng)建模并作適當(dāng)簡化，如圖4.1所示。<

89、;/p><p>　　圖4.1 葉盤三維模型</p><p><b>　　4.2 靜力分析</b></p><p>　　4.2.1 靜力分析基礎(chǔ)</p><p>　　當(dāng)物體在承受外力或內(nèi)力（體積力）的作用時，將會產(chǎn)生移動的變形，其變形的程度以及受力狀態(tài)與材料本身、載荷大小以及作用位置有密切的關(guān)系。只有準(zhǔn)確地獲取物體在各個位置處

90、的受力狀態(tài)，才能對物體的安全性進(jìn)行正確的評估，從而進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計及改進(jìn)。所追求的目標(biāo)是：既采用最少的材料，又能夠保證對象的安全需求——這就是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求。　　</p><p>　　結(jié)構(gòu)靜力分析是計算在固定載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即由于穩(wěn)態(tài)外部載荷引起的系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。同時靜力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷以及那些可以近似等價為靜力作用的隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)的影響。在結(jié)構(gòu)靜力分析過程

91、中，不考慮慣性和阻尼的影響，一般都假定載荷和響應(yīng)固定不變，獲假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時間變化非常緩慢。通過靜力分析，可以校核結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度是否滿足設(shè)計要求。根據(jù)結(jié)構(gòu)振動理論，靜力分析所有與時間相關(guān)的選項都被清除，得到以下方程式：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　在ANSYS中靜力結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中，位移矢量通過上面的矩陣方程得到的，以此校

92、核結(jié)構(gòu)的變形量是否在允許的范圍內(nèi)，是否滿足設(shè)計的剛度要求。</p><p>　　結(jié)構(gòu)強(qiáng)度失效主要有兩種方式，即屈服和斷裂。相應(yīng)地，強(qiáng)度理論分為兩類：一類是解釋斷裂失效的，其中有最大拉應(yīng)力理論和最大伸長線應(yīng)變理論。另一類是解釋屈服失效的，其中有最大切應(yīng)力理論和畸變能密度理論[11]。</p><p>　　（1）最大拉應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論）</p><p>　　這一理

93、論認(rèn)為最大拉應(yīng)力是引起斷裂的主要因素，它適用于脆性材料。 </p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中為結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，是材料的極限強(qiáng)度，最大拉應(yīng)力。根據(jù)第一強(qiáng)度理論，只要安全系數(shù)滿足設(shè)計要求，則結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為安全。</p><p>　　（2）最大伸長線應(yīng)變理論（第二強(qiáng)度理論）</p><p>

94、　　這一理論認(rèn)為最大伸長線應(yīng)變式引起斷裂的主要因素。只要拉應(yīng)變達(dá)到極限值，材料就發(fā)生斷裂，故得斷裂準(zhǔn)則為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　由廣義胡克定律：</b></p><p><b>　　（4-4）</b></p><p>　　代

95、入（4-3）得到斷裂準(zhǔn)則</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　將除以安全因數(shù)得許用應(yīng)力，于是按第二強(qiáng)度理論建立強(qiáng)度條件是</p><p><b>　　（4-6）</b></p><p>　?。?）最大剪應(yīng)力理論(第三強(qiáng)度理論)</p><p>

96、　　這一理論認(rèn)為最大剪應(yīng)力是引起屈服的主要因素，只要最大切應(yīng)力達(dá)到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值，材料就發(fā)生屈服。</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　應(yīng)力強(qiáng)度是最大剪切應(yīng)力數(shù)值的兩倍，所以得到，</p><p><b>　　（4-8）</b></p><p>　　將換為

97、許用應(yīng)力，得到按第三強(qiáng)度理論建立的強(qiáng)度條件</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　（4）畸變能密度理論（第四強(qiáng)度理論）</p><p>　　這一理論認(rèn)為畸變能密度是引起屈服的主要因素。在任意應(yīng)力狀態(tài)下，只要畸變能密度達(dá)到極限值，便引起材料的屈服，畸變能密度屈服準(zhǔn)則為</p><p><

98、b>　　（4-10）</b></p><p><b>　　在任意應(yīng)力狀態(tài)下，</b></p><p><b>　　（4-11）</b></p><p>　　代入（4-10）后，整理得屈服準(zhǔn)則為</p><p><b>　?。?-12）</b></p>

99、;<p>　　把除以安全因數(shù)得到許用應(yīng)力，于是，按第四強(qiáng)度理論得到的強(qiáng)度條件是 </p><p>　?。?-13）　　　ANSYS中提供四種強(qiáng)度準(zhǔn)則，分別是“Tresca準(zhǔn)則”、“Von Mises準(zhǔn)則”、“最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則”、“Mohr準(zhǔn)則”。其中，在靜力分析部分，將采用第四強(qiáng)度準(zhǔn)則[13]。</p><p>　　4.2.2 初始分析條件</p><p&g

100、t;　　(1) 將已經(jīng)建好的葉片轉(zhuǎn)子三維模型導(dǎo)入ANSYS，如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 導(dǎo)入ANSYS中的葉盤模型</p><p>　　(2) 初始分析條件</p><p>　　常溫下靜強(qiáng)度分析的主要材料屬性參數(shù)如下：</p><p>　　材料密度：7801kg/m3</p><p>　　彈性模量：

101、2.06×1011 Pa</p><p><b>　　泊松比：0.3 </b></p><p><b>　　(3) 劃分網(wǎng)格</b></p><p>　　在網(wǎng)格劃分時，應(yīng)該注意以下幾點：</p><p>　　1)模型結(jié)構(gòu)與實際結(jié)構(gòu)盡可能相同，模型的幾何形狀尺寸與實際結(jié)構(gòu)尺寸相同。</

102、p><p>　　2)在應(yīng)力集中的部位以及應(yīng)力變化比較劇烈的部位，單元應(yīng)劃分得密一些，即采用較小幾何尺寸的單元。單元大小不等時，要逐漸過渡。</p><p>　　3)單元體各邊的比例盡可能接近于1，不能相差太大，以免基數(shù)值特征產(chǎn)生退化。</p><p>　　網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 網(wǎng)格劃分</p>

103、<p>　　4.2.2 施加邊界約束和載荷</p><p>　　正常工作時，葉盤受到x方向重力，聯(lián)接軸處的約束，以及3000r/min的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　邊界條件和載荷如圖4.4。</p><p>　　圖4.4 約束和載荷加載圖</p><p>　　4.2.3 求解分析以及結(jié)果后處理</p><p&g

104、t;　　等效應(yīng)力云圖如圖4.5所示。</p><p>　　圖4.5 等效應(yīng)力云圖</p><p>　　應(yīng)力最大點及最小點如圖4.6所示。</p><p>　?。╝）應(yīng)力最大點 （b）應(yīng)力最小點</p><p>　　圖4.6應(yīng)力最大點及最小點</p><p>　　位移云

105、圖如圖4.7所示。</p><p>　　通過等效應(yīng)力云圖可以看出，葉盤所受最大應(yīng)力在葉根處，大小為11.5MPa，滿足強(qiáng)度要求。由位移云圖可知，最大位移量出現(xiàn)在葉片下頂角處，大小為5.63×10-6 m。</p><p><b>　　圖4.7 位移云圖</b></p><p>　　4.3 系統(tǒng)模態(tài)分析</p><p

106、>　　4.3.1 模態(tài)分析基礎(chǔ)</p><p>　　模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。同時，也是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，如諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析及譜分析等等。ANSYS也可以對有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)和循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。</p><p>　　模態(tài)分析屬于線性分析，即在模態(tài)分析過程中只有線性行為是有效地，如果在分

107、析中指定了非線性單元，程序在計算過程中將忽略其非線性行為并將該單元作為線性單元處理。利用有限元法將無限多個自由度系統(tǒng)離散成有限多自由系統(tǒng)，當(dāng)不考慮外力和阻尼作用時(因為結(jié)構(gòu)的阻尼對結(jié)構(gòu)的頻率和振型影響很小，系統(tǒng)的無阻尼自由振動的運動方程可表示如下: </p><p><b>　　（4-1）</b></p><p>　　式中:M為質(zhì)量矩陣，K為剛度列陣，是位移矢量。在模

108、態(tài)分析中，結(jié)構(gòu)假設(shè)為線性的,因此相應(yīng)的假設(shè)為諧響應(yīng): </p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　上式中是指振型（特征向量）是振型I的固有圓周頻率. 通過取代線性方程中的值，可以得到如下方程:</p><p><b>　　（4-3）</b></p><p

109、><b>　　（4-4）</b></p><p>　　注意到解 是沒有價值的, 需要被求解：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　對于一個模態(tài)分析, 固有圓周頻率和振型都能從該矩陣方程式里得到。固有頻率和振型的計算，可以歸結(jié)為求解式（4-5）所示的廣義特征值和特征向量的解。求解的方法很

110、多，常用的方法有：(1)降階法(reduced householder method)；(2)子空間法(subspace method)；(3)非對稱法(unsymmertrical method)；(4)阻尼法(damped method)；(5)區(qū)塊lanczos法(block lanczos method)；(6)快速動力法(power dynamic method)。區(qū)塊lanczos法是適用于求解大型稀疏矩陣的部分低階特征值的

111、一種較先進(jìn)方法，其基本點是根據(jù)載荷空間分布模式按一定規(guī)律生成一組lanczos向量，將系統(tǒng)的運動方程切換到lanczos向量空間以后，求解減縮的標(biāo)準(zhǔn)特征值問題，經(jīng)過坐標(biāo)系的變換，即得到系統(tǒng)運動方程的全部或部分特征解。它具有求解精度高，計算速度快的特點。</p><p><b>　　利用模態(tài)分析可以：</b></p><p>　　(1)使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振或以特定頻率進(jìn)行

112、振動；</p><p>　　(2)認(rèn)識到結(jié)構(gòu)對于不同類型的動力載荷是如何響應(yīng)的；</p><p>　　(3)有助于在其它動力分析中估算求解控制參數(shù)。</p><p>　　4.3.2 模態(tài)分析過程</p><p>　　圖4.8 模態(tài)分析過程</p><p>　　4.3.3 帶有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析結(jié)果</p>

113、<p>　　系統(tǒng)在預(yù)應(yīng)力作用下前8階固有頻率的計算結(jié)果見表4.1。</p><p>　　表4.1系統(tǒng)前8階固有頻率</p><p>　　系統(tǒng)固有頻率模態(tài)振型如圖4.9所示。</p><p>　　(a) 第一階固有頻率振動變化云圖</p><p>　　(b) 第二階固有頻率振動變化云圖</p><p>　　(c

114、) 第三階固有頻率振動變化云圖</p><p>　　(d) 第四階固有頻率振動變化云圖</p><p>　　(e) 第五階固有頻率振動變化云圖</p><p>　　(f) 第六階固有頻率振動變化云圖</p><p>　　(g) 第七階固有頻率振動變化云圖</p><p>　　(h) 第八階固有頻率振動變化云圖</

115、p><p>　　圖4.9 系統(tǒng)各階振動變化云圖</p><p>　　由圖可知，葉片-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一至四階模態(tài)振型分別表現(xiàn)為一個葉片的彎曲振動。五階模態(tài)振型表現(xiàn)為連接軸處的振動。六至八階模態(tài)振型則表現(xiàn)為一個葉片的扭轉(zhuǎn)振動。</p><p>　　4.4系統(tǒng)諧響應(yīng)分析</p><p>　　4.4.1諧響應(yīng)分析基礎(chǔ)</p><p>