基于混合维度模型的转子系统分析方法

【作者】 潘望白； 唐国安； 张美艳；

【机构】 复旦大学航空航天系；

【摘要】 经典的叶-盘-轴转子系统普遍存在于各类旋转机械中,转子系统的动力学特性分析一直是动力学研究领域的一个热点。传统的转子分析中常将转轴简化为梁模型,将带叶片涡轮简化为弹性盘或集中质量,使得数值模型与实际结构间存在较大的差异。文章提出了一种转子结构的三维实体叶片与二维轴对称盘-轴的有限元混合维度模型模态分析及临界转速计算方法,保留了叶-盘-轴完整的弹性特征。用三维实体单元的三维位移模式表征复杂构型叶片的变形,并用动态子结构方法对叶片模型进行自由度缩聚;用二维轴对称单元的三维位移模式表征符合回转体特性的盘-轴变形,相比传统三维盘的建模方式,缩减了轮盘模型的自由度。利用叶片与盘-轴的位移协调条件,实现三维叶片模型与二维轴对称盘-轴模型的耦合。文章亦给出了单元切线刚度矩阵和陀螺矩阵的表达形式,实现了考虑离心力刚化效应的模态分析和临界转速计算。数值计算结果表明,混合维度模型的固有频率计算结果与全三维模型基本一致,同时计算时间大幅减少,提高了转子结构的模态分析效率;相比简化模型,模态分析结果更好的反映了叶片、轮盘的弹性特征。模型也适用于含有多级叶轮的转子系统,为此类转子系统的优化设计提供了快速的分析方法。更多还原