燃气轮机动力涡轮转子动力学相似试验模型的设计方法研究

针对某实际燃气轮机动力涡轮转子因结构尺寸大、质量大等原因无法直接开展试验动力学研究,提出了一种由三维有限元仿真计算和试验相结合的动力学相似试验转子模型的设计方法。首先,利用动力相似原则建立原始涡轮转子的动力相似试验转子模型和相应转子试验台,确定了目标函数为临界转速和振型相似;然后,分别进行转子动力学相似模型的有限元仿真计算和动力学特性试验,所得临界转速最大相对误差为4.5%,API 612高速动平衡标准下的不平衡响应峰-峰值相对误差为1.5%,说明仿真和试验的结果可靠;最后,对动力相似试验转子模型的有效性进行验证,动力相似试验转子模型的临界转速仿真和试验结果均与原始涡轮转子模型的临界转速成2.05倍关系,符合动力相似准则,并且动力相似试验转子模型的应变能分布与原始转子模型相似,成功构建了原始涡轮转子模型的动力相似试验转子模型,对于叶盘-转子系统的稳定性分析和试验设计研究有很大的参考价值和现实意义。

动力学相似理论及在结构振动分析中的应用研究评述与展望

相似试验模型在大型结构振动与冲击试验研究中起到重要作用。综述动力学相似理论在结构动力学相似试验模型设计中的应用研究进展与发展趋势,并引述大量文献。总结动力学相似理论在多个领域的结构振动与冲击问题分析中的主要成果,包括动力学相似理论在海洋结构、土建结构及大型动力装备动力学相似试验模型设计中的应用,复合材料结构的动力学相似设计方法,以及转子系统的动力学相似试验模型设计方法。介绍动力学相似理论的重要研究进展情况,如畸变试验模型的设计及修正方法、动力学相似模型的试验验证。讨论动力学相似理论在结构振动与冲击研究中存在的主要问题并做出展望。

轴承-转子系统中滚动球轴承的动力学相似设计

针对轴承-转子系统缩尺模型中轴承的动力学相似设计问题,基于量纲分析法和相似π定理,建立了轴承-转子系统中滚动球轴承模型的动力相似准则,获得了滚动球轴承模型与原型各动力参数的相似关系.在此基础上根据滚动球轴承刚度计算公式得出刚度与基本参数之间的相似关系,并进行了滚动球轴承接触变形和最小油膜厚度的数值验证.最后通过设计实例说明了所建立的相似关系在实际轴承-转子模型设计中的有效性和实用性.

考虑轴承刚度的转子系统动力学相似模型设计

针对轴承-转子系统的动力学相似实验模型的设计问题,提出一种使实验模型与原型固有特性一致的缩尺几何畸变模型设计方法,并进行了实验验证.首先,采用积分模拟法导出转子系统的动力学相似关系,根据量纲分析理论建立了轴承支撑刚度的相似关系.基于此设计了满足固有频率特性与原型相同的相似模型,并对相似模型同原型进行ANSYS仿真对比分析.为进一步验证所提出的设计方法的正确性和有效性进行了实验,验证了所提出的动力学相似设计方法的正确性.

卧式行星磨筒内研磨过程的动力学相似分析

为了研究卧式行星磨筒内研磨体的运动规律,通过相对运动方程理论求解出研磨体的脱壁分离条件、脱落轨迹方程及研磨体的抛落时间等运动学规律。结果表明:卧式行星球磨机磨筒内研磨体的相对运动与传统球磨机内研磨体的运动完全运动相似和动力学相似;行星因子为z时,相似球磨机的直径是行星磨磨筒直径的z1/4倍;运用相似原理证明了行星球磨机相对于普通球磨机的节能率为(1.29z3/8-1)/(1.29z3/8)。

转子—轴承系统中滚动球轴承的非线性动力学相似特性研究

针对转子—轴承系统中滚动球轴承的动力学相似问题,提出一种考虑非线性振动特性的轴承系统相似模型建立方法.首先,建立滚动球轴承整体的非线性振动微分方程,运用积分模拟法推导了轴承整体的非线性振动特性相似关系,并结合滚动球轴承的动力学相似关系得到滚动球轴承系统的相似设计准则;其次,应用所得的相似准则,以深沟球轴承C204JUT为原型、6208为模型进行数值仿真实例计算,通过采用Newmark-β算法计算得到的分叉图分析了转速ω、径向载荷F_r、阻尼C及径向游隙γ大小对原型和模型轴承系统振动位移或速度响应的影响;最后,通过对比原型和模型的各参数(ω、F_r、C、γ)分叉图中分叉区间、趋于稳定运动参数值大小以及进入稳定周期运动时的稳态响应值大小验证相似准则的准确性和有效性.通过分析得到以下结论:1滚动球轴承非线性振动特性参数(如振动响应、结构阻尼等)相似关系可由轴承结构参数相似关系确定;2原型与模型非线性运动的分叉图形状一致,且模型能够很好的预测原型稳态振动响应,因此可将模型轴承用来预测原型轴承的非线性振动行为.

多轴段转子系统的畸变试验模型动力学相似设计

基于Riccati传递矩阵法和灵敏度分析,提出了一种多轴段转子-支承系统畸变试验模型的动力学相似设计方法.分析了转子固有特性的系统参数灵敏度,对原型系统进行动力学模化得到畸变模型,并进行必要的模型修正,然后对修正后的畸变模型进行缩尺设计得到最终试验模型.以设计某空压机高压转子的缩尺试验模型为例,通过对比原型和所设计缩尺试验模型的临界转速和固有特性,验证了所提试验模型动力学相似设计方法的有效性和实用性.

转子-滑动轴承系统动力学相似性研究

针对转子-滑动轴承系统缩比模型与原型是否满足动力学相似的问题,采用量纲分析法建立了考虑陀螺力矩和滑动轴承非线性油膜力的转子-轴承系统相似准则,确立了模型与原型各物理量相似比。理论研究表明,通过采用模化转子滑动轴承静载荷补偿措施,可使转子-轴承系统满足动力学相似要求。补偿处理后的模型和原型转子系统的临界转速、失稳转速、不平衡响应均具有相似性。并通过算例对比分析转子几何比、材料密度模化比和弹性模量模化比对轴系不平衡响应特性相似性的影响规律,验证了所推导的转子动力学相似准则的正确性。

非线性时间序列动力学相似性分析

本文提出了分析非线性时间序列动力学相似性的模糊相似性指数方法,通过计算不同时间序列或者同一时间序列的不同区段的动力学相似性,可以识别不同动力学系统的内在属性或者同一系统的动力学状态的改变．该方法在计算关联和时,我们用Guassian函数代替Heavyside阶跃函数,克服了Heavyside阶跃函数的刚性边界问题．通过对Logistic映射数值序列和脑电信号实例检验表明,该方法计算相似性指数更加准确和平稳。

薄板结构畸变模型的动力学相似设计及几何区间确定

针对单层弹性薄板、层合板、涂层板及夹层板等常用板类结构的动力学相似试验模型设计,在归纳总结其基本假设及平衡方程的基础上,利用方程分析法,结合结构敏感性分析建立了4种结构悬臂板的畸变动力学相似关系,并进行对比分析;提出1种畸变模型的区间确定方法,基于模型与原型在第1阶固有相似(即固有频率成比例映射关系、且振型保持一致)时畸变模型的尺寸适用区间的确定方法,利用多项式拟合方法,得到单层弹性薄板模型和原型在不同阶次下的相似畸变模型几何结构适用区间的边界值方程。为薄板类结构试验模型的动力学相似设计提供了理论依据。

模型机与靶机的动力学相似关系

根据靶机动力学相似原理,运用量纲理论,导出了靶机与模型机各物理量的相似比例关系.以某型靶机的1∶5模型机为例,通过应用推导出的靶机与模型机的相似比例关系,得到了靶机的最大角速度,角加速度和最小盘旋飞行时间的理论值,并将理论值与实测结果进行了比较,结果表明理论值与实测结果误差较小,证明了导出的靶机与模型机各物理量的相似比例关系的正确性,可作为设计靶机模型机的理论依据.

切变流体和旋转流体的动力学相似性

在传统长重力波方程中引入水平基流的作用，导出了带有基流切变效应的平面波解．正如层结流体与旋转流体具有动力学相似性一样，发现切变流体也有类似的动力学相似性．

流体动力学相似模型计算弱简谐电场中的基态氦原子

采用基于Ｓｃｈｒ¨ｏｄｉｎｇｅｒ方程的流体动力学相似模型的变分微扰法计算了弱时间简谐电场中基态氦原子的扰动波函数、极化率和第一共振频率，并将计算值与实验值进行了比较。

原料组分对动力学相似材料性质影响的试验研究

随着振动台、离心机等动力学模型试验方法的不断发展,对于动力学相似材料的要求也愈加精细。在满足动力学相似理论的基础上,如何快速、准确地配制出性质合理的相似材料是试验中至关重要的一步。本文以粒度不同的河沙、重晶石粉、铁粉、云母片为原料,以速干水泥为胶结物,对不同材料混合的动力学相似材料性质进行了试验研究。试验结果表明:(1)级配良好的骨料所配置的相似材料密度较大,且颗粒间断级配越大,骨胶比对相似材料密度影响越大;(2)以河砂为骨料、水泥为胶结物,可以配制出密度为1.5~2.2 g·cm^-3、动泊松比0.2~0.4、动弹性模量2.5~5.5GPa的动相似材料;(3)铁粉的增重效果比重晶石粉显著,且铁粉试件的动、静弹性模量随铁粉增加而显著增大,而重晶石粉比例的变化对重晶石粉试件的动、静弹性模量影响不大,在配制“高重低强”的动力学相似材料时,重晶石粉是更理想的原料;(4)随着云母用量的不断增加,试件的密度、动泊松比和动、静弹性模量均显著降低,云母片是很好的减强剂,可以用来模拟岩体间软弱夹层或结构面。

航空发动机高压转子试验模型的动力学相似设计

为了获得能够替代航空发动机转子原型进行动力学试验的模型,提出了发动机转子系统试验模型的动力学相似设计方法。采用相似理论推导了转子系统缩比模型的动力学相似准则,继而建立缩比模型与原型的动力学相似关系。通过动力学优化方法对转子缩比模型的动力学等效模型进行修正,目标函数由固有频率、临界转速和振型组成。以双转子发动机高压转子系统的动力学相似设计为例,通过有限元仿真对设计方法的有效性进行了验证。结果表明,在设计转速范围内,动力学相似模型与原型的前两阶临界转速相似误差分别为3.92%和0.86%,对应振型的相关性均>0.98,且模型与原型的模态应变能分布基本一致。通过该方法获得的动力学相似模型能够较好地预测原型的动力学特性,并有效降低模型试验的成本和难度。

组合转子变态模型动力学相似设计方法研究

针对组合转子变态相似模型的设计问题,提出了一种使试验模型与原型动力学相似的变态模型设计方法。对原型转子系统进行畸变得到变态模型,采用方程分析法推导出变态模型与原型的动力学相似关系,并通过参数优化得到最终的试验模型。利用有限元分析软件对变态相似模型和原型进行仿真分析,验证了所提出的设计方法的正确性。为了进一步验证所提出的设计方法的正确性,对变态相似模型进行了模态试验。试验表明,变态相似模型与原型满足动力学相似关系,所提出的变态相似模型设计方法可用于多参数畸变试验台设计。

动力柔化直板叶片动力学相似关系

针对考虑动力柔化效应的直叶片动力学相似模型设计的问题,提出一种考虑动力柔化效应的动力学相似模型设计方法。根据大范围运动板的动力方程推导得到的矩形板动力平衡方程,结合直叶片运动特性,建立基于柔性体假设的直叶片动力平衡方程;运用相似原理,建立考虑动力柔化的旋转柔性直叶片的动力学相似关系;通过分析所建立的相似关系,为了避免过高转速引起试验系统的高阶振动,提出建立旋转直叶片过渡试验模型的方法,并分析其在直叶片刚性与柔性条件下的适用性;最后通过数值验证相似关系的有效性和正确性。

带有挤压油膜阻尼器的转子系统动力学相似设计

针对航空发动机中常见的带有挤压油膜阻尼器(SFD)转子的动力学相似问题,建立了一种相似建模方法。从带有阻尼的转子的振动微分方程着手,通过方程分析法推导了转子振动过程中的不平衡力相似关系和阻尼力相似关系。以挤压油膜阻尼器的油膜力和油膜方程为基础建立了挤压油膜阻尼器参数与转子相似参数之间的数学关系,并给出了相应的工程设计方法。以某带有挤压油膜阻尼器的单转子系统为例,建立了带有挤压油膜阻尼器的相似转子系统,使用有限元法分析了该转子系统与其相似系统的动力学特性,分析结果显示:在仅考虑转子系统内挤压油膜阻尼器阻尼的情况下相似系统的不平衡响应与原转子系统不平衡响应误差低于1%。

考虑陀螺效应的转子动力学相似准则

针对考虑陀螺力矩的转子系统缩尺相似模型与原型是否满足动力学相似的问题,采用量纲分析法推导了考虑陀螺力矩的转子-简单支撑系统相似准则,得到了模型与原型各物理量相似比.通过求解不同相似比下Jeffcott转子系统临界转速的解析解,和利用有限元软件ANSYS对某转子系统临界转速和振型相似性进行了数值模拟,验证了所推导的考虑陀螺力矩转子系统相似准则的正确性.研究表明:考虑陀螺力矩、简单支撑和Rayleigh比例阻尼的转子系统,在相似转速下缩尺模型与原型的固有频率具有相似性,并且临界转速相似.

兆瓦级风电齿轮箱传动系统瞬态动力学响应等效缩减方法

随着风电齿轮箱朝10 MW及以上超大功率发展,其全尺寸测试受到试验台架功率限制的问题愈发明显。该研究提出了兆瓦级风电齿轮箱传动系统瞬态动力学响应等效缩减方法,以某型5 MW风电齿轮箱为研究对象,建立了风电齿轮箱传动系统变速动力学模型,并基于量纲理论推导了适用变速工况的风电齿轮箱传动系统等效缩减动力学相似关系,对比分析了原型与缩减后的风电齿轮箱传动系统固有特性与振动响应。研究结果表明,缩减后的风电齿轮箱传动系统固有频率、模态振型与原型满足相似关系,并且缩减后的风电齿轮箱传动系统稳态响应、瞬态响应均与原型满足相似关系,最大误差小于3%。该方法可以为风电齿轮箱等效缩减设计提供一定的参考依据。