某型航空发动机控制系统半物理模拟试验用转接座临界转速分析,本文是航空发动机类有关大学毕业论文范文与临界转速和临界转速分析和物理模拟试验有关论文范文.
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针对某型航空发动机控制系统半物理试验用转接座,介绍了其动力学分析模型,利用弹簧模拟轴承刚度的方法在ANSYS 中建立了转接座转子系统的有限元模型,随后针对同一系统分别基于有限元法、公式法和专用软件分别计算了临界转速,分析了三种方法各自的特点,证明了有限元模型的可信度,指出适当提高轴承刚度对临界转速有重要意义.
一、引言
旋转机械在机械制造、航空航天等各个领域都有着广泛应用,特别是在高速传动系统中,转子动力学特性直接影响到整个系统的性能优劣和安全,当系统所受到激励的频率与该系统的某阶固有频率接近时,系统就会发生共振,共振将产生巨大的能量,破坏转子或整个传动系统的结构,因此在进行高速转子设计时要求转子的工作转速应当避开其激励条件下频率对应的临界转速,避免传动系统发生共振.
本文为研究某型航空发动机半物理模拟试验用转接座的动力学特性问题,从动力学基本理论出发,利用有限元法建立了转接座转子系统的有限元模型,研究了该转子系统的临界转速,找出了影响其转子动力学特性的主要因素,并将分析结果与公式法和其他分析软件的结果进行了对比,验证了分析方法的准确性,为提高转接座振动特性提供了依据.
某型航空发动机半物理模拟试验用转接座转子的结构示意如图1 所示.选用轴承为FAG 的HS7008-C-TP4S,最高工作转速为39600r/min.
二、转子—轴承系统的动力学分析模型
1. 弹性轴运动方程
弹性轴的圆形截面弹性单元如图2 所示,该单元的广义坐标是两端点节点的位移.
三、临界转速分析
1. 基于ANSYS 的临界转速分析
（1）前处理.
（a）有限元模型建立.本转接座的轴——滚动轴承系统首先在ANSYS/workbench 的DM 模块中建立轴模型,齿轮采用外径38 的圆盘代替,然后在模特分析模块中采用智能划分技术对模型进网格划分,采用SOLID187 单元,Relevance 控制为0,控制划分网格的尺寸为4mm,划分网格后的有限元模型如图4 所示,节点数为37497,单元数为25059.
（b）边界条件设置.轴承座采取刚性模拟,利用弹簧模拟轴承刚度,根据轴承安装位置分别设置了四根刚度一致的弹簧进行模拟,分别设置了7 种弹簧刚度和1 种刚性支撑,具体如表1 所示,设置好的边界条件如图5 所示.
（c）求解设置.Workbench 中对于模特分析有直接求解法和迭代求解法两种.直接求解法采用BlockLanczos方法提取特征值,使用的是稀疏矩阵直接方程求解器；迭代求解法使用PowerDynamic 求解方法,这种方法使用的是PCG 方程求解,当仅需求解不多的振型时,这种求解方法对于具有体单元的模型十分有效.
考虑到模型规模和实际的硬件设备,本模型采用迭代求解法,求解前4 阶临界转速.
（2）临界转速计算.
针对表1 不同的轴承刚度,计算出的固有频率和临界转速如表2 所示.
2. 基于公式法的临界转速计算
式中,ncrk 为临界转速（r/min）；λk 为支座形式系数,取11.5；W0 为轴所受重力（N）,取14.3；E 为材料弹性模量（MPa）,取206000；I 为轴截面惯性矩（mm4）,取83100.65；代入计算后得ncrk等于121941.9r/min.
3. 基于“CMD-Rotor 7 转子系统动力学分析软件”的临界转速计算
当前市场上关于转子动力学分析具有多个专业的软件,西安交通大学润滑理论与轴承研究所编制的“CMD-Rotor7 转子系统动力学分析软件”是其中之一,该软件采用传递矩阵的计算方法.
针对本套转接座的“ 转子—— 轴承” 系统, 采用“CMD-Rotor 7 转子系统动力学分析软件”分别不同轴承刚度和刚性支撑下的临界转速进行了计算,计算结果如表4所示.
四、结果分析
对比三种分析方法的计算结果可以发现.
（1） 根据相关研究结果, 滚珠轴承径向刚度在2×107 ～ 2×108N/m 之间,同时,公式法的计算结果同有限元法和“CMD-Rotor 7 转子系统动力学分析软件”考虑2×108N/m 支撑刚度时的计算结果基本相同,因此可以判断公式法也不是完全将系统按刚性支撑来计算的,而是按固定的2×108N/m 的支撑刚度进行计算,但是在支撑刚度不满足2×108N/m 的实际情况下,公式法计算的临界转速会偏大,这也是设计满足要求而实际应用结果不满足要求的原因之一.
（2）考虑轴承刚度的有限元法和“CMD-Rotor 7 转子系统动力学分析软件”的计算结果偏差如表5 所示,结果基本吻合,而且中轴承刚度越大,误差越小,说明采用本系统采用弹簧模拟轴承刚度的有限元模型具备较高的可信度,对于实际设计有一定的指导意义.
（3） 考虑刚性支撑的“CMD-Rotor 7 转子系统动力学分析软件”和有限元法差别较大,而和轴承刚度为2×1010N/m 的有限元法基本相同,因此可以判断“CMDRotor7 转子系统动力学分析软件”的刚性支撑并不是绝对的刚性支撑,而是按2×1010N/m 的轴承刚度进行分析,考虑到绝对刚性支撑和弹性支撑的差别较大,同时2×1010N/m的轴承刚度已经超过一般的轴承刚度,因此,“CMD-Rotor7 转子系统动力学分析软件”用2×1010N/m 的轴承刚度来代替绝对刚度也具备一定的合理性.
（4）本转接座的最高工作转速为39600r/min, 按有限元法的计算结果,轴承径向刚度只需要设置在3×107N/m以上,即可满足实际工作转速小于0.75 倍临界转速的工程设计要求,根据选型轴承预载荷要求,实际轴承径向刚度大于3×107N/m,因此本“转子——轴承”系统满足设计要求.
分析有限元法的计算结果可以发现.
（1）针对转接座“转子——轴承”系统,分析时考虑刚性支撑还是弹性支撑对于系统的临界转速影响很大,实际设计时不应当将轴承简单得视作刚性支撑,否则可能得出错误的分析结果,影响系统实际使用的稳定性和安全性.
（2）考虑轴承刚度的模型第一、二阶固有频率接近于0Hz, 原因是模型轴向没有限制,因此会产生两阶的物理位移,第3、4 阶固有频率接近,实际振型也都是径向位移振动.（3）轴承径向刚度在2×107 ～ 2×1011N/m 时,对于本系统临界转速影响较大,具体见图1,轴承径向刚度越大,临界转速越大,轴承径向刚度超过2×1011N/m 以后,影响基本不变,实际设计时可以通过适当增加轴承轴向预紧力的方式增大轴承径向刚度,提高临界转速.
五、结语
（1）本文以某型航空发动机控制系统半物理模拟试验用转接座的“转子——轴承”系统为例,介绍了其动力学模型.
（2）利用ANSYS 建立了“转子——轴承”系统的有限元模型,通过弹簧来模拟实际的轴承刚度,并分析了其在不同轴承刚度和刚性支撑下的临界转速.
（3）利用公式法和“CMD-Rotor 7 转子系统动力学分析软件”分别分析了“转子——轴承”系统的临界转速,将分析结果与有限元法进行了对比,证明了有限元法模型的可信度,并指出考虑弹性支撑对实际临界转速设计的重要性.
（4）通过有限元法证明了增加轴承径向刚度对提高系统临界转速具有重要作用,并根据实际工作要求,获得了轴承径向刚度需大于3×107N/m 的设计指标.IM
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