拉杆转子-轴承-密封系统接触刚度矩阵建立及动力学特性分析

周向拉杆转子结构在燃气轮机中非常常见,而转子结构中普遍存在的拉杆及接触层对转子-轴承-密封系统的动力学特性具有非常重要的影响。在本研究中,建立了周向分布拉杆的力学模型和表征轮盘之间接触效应的非线性接触刚度矩阵,该接触刚度矩阵由七个刚度系数组成,这七个刚度系数可以综合表征接触层横向刚度,剪切刚度,弯曲刚度,扭转刚度,并且该矩阵能够考虑转子变形对于刚度系数的影响。结合基于短轴承理论并且经过试验验证的非线性油膜力模型和Muszynska密封力模型建立了周向拉杆转子-轴承-密封系统的动力学模型。采用了Newmark-β法对动力学方程进行了求解,并采用三维频谱图分析了预紧力大小和预紧力不均对周向拉杆转子-轴承-密封系统的非线性动力学特性的影响规律。结果表明,接触刚度以及故障拉杆的相对位置对拉杆转子-轴承-密封系统的稳定性及频率成分影响明显。     

弹性机匣双盘碰摩转子系统的稳定性

建立了计及机匣弹性、陀螺力矩并考虑轴承回转动力激励的悬臂双盘碰摩转子系统的动力学模型和运动微分方程,根据稳定性理论,由Jacobi矩阵特征值的性质分析了转子系统参数对转子系统解的稳定性的影响,并利用系统的阶跃响应和零极点分布图判别系统运动是否稳定。分析结果表明：轴承回转动力激励和碰摩对系统稳定性产生不利影响;两轴承刚度对稳定性影响基本相同,而两轴承的回转动力激励和两圆盘碰摩对稳定性影响明显不同;机匣连接刚度越小,机匣刚度越大,越有利于系统的稳定;轴承刚度大于临界轴承刚度时,系统存在稳定运动区域,否则系统不存在稳定运动区域。     

考虑接触刚度的燃气轮机拉杆转子动力特性研究

基于弹塑性理论对具有粗糙表面的长方微元体进行有限元接触分析,根据受力和变形关系得到了不同载荷作用下的法向和切向界面接触刚度。将微元体界面接触刚度与宏观结构应力分析结果相结合,给出了考虑接触刚度的组合结构动力特性研究方法,分析了压气段轮盘接触刚度对某重型燃气轮机拉杆转子固有振动频率的影响。结果表明,界面接触刚度导致转子固有频率降低,随着接触刚度的增加,其对固有频率的影响逐渐减小。接触刚度对转子各阶固有频率的影响不同,法向刚度对第一阶弯曲频率影响较大,切向刚度对第二阶弯曲频率影响较大。     

裂纹拉杆转子连接界面非线性建模与多参数演变规律研究

针对含拉杆裂纹的转子非线性振动现象,基于Paris裂纹扩展规律,建立了裂纹拉杆刚度模型;以界面接触刚度表征拉杆预紧作用,建立了轮盘接触刚度模型;采用Capone短轴承模型,完成了含拉杆裂纹的转子连接界面非线性动力学建模。通过系统Poincare截面分析发现,在转速与偏心多因素影响下得到的e-n分岔集中,系统在倍周期分岔与拟周期分岔之间交替变化;在裂纹扩展与转速的η-n分岔集中,解的分岔点分布不连续;不同转速下,位移随裂纹扩展的分岔轨迹比较复杂,拉杆裂纹的存在会加速或减缓分岔点的出现。结果表明:拉杆裂纹对转子稳定性作用机理受系统参数集的影响。研究结论对拉杆转子的参数设计与故障识别有一定意义。     

组合转子解析建模与拉杆蠕变导致的退化研究

以铁木辛柯梁理论为基础建立集中参数解析模型,并以结构局部损伤将引起系统退化为切入点,研究拉杆蠕变松弛引起的组合转子退化特性。考虑拉杆螺栓的应力松弛与接触界面的影响,并对接触界面等效处理,对组合转子进行动力学分析,得到组合转子固有频率随时间的变化规律;通过定义组合转子频率相对降低量作为固有频率特性退化量参数,实现了组合转子退化的定量评估,从理论上得出由拉杆蠕变松弛引起的组合转子固有频率特性退化量随时间的函数曲线。     

拉杆松弛对燃气轮机组合转子性能退化的影响

 组合转子作为燃气轮机的核心部件,其性能退化将对整个燃气轮机的性能产生重大影响,揭示组合转子性能退化机理并进行退化特征分析对燃气轮机的可靠运行具有重要意义．为揭示组合转子结构损伤导致的性能退化机理,考虑拉杆螺栓在高温下的应力松弛,得到基于时间历程的拉杆预紧力变化规律;通过拉杆预紧力定义组合转子退化量指标,评估组合转子的退化程度;计算轮盘界面接触刚度,进行考虑接触界面的组合转子动力学分析,进而得到燃气轮机组合转子不同退化量下的动力学特征．结果表明：温度是影响组合转子性能退化的敏感参数;拉杆松弛导致组合转子固有频率漂移,组合转子前3阶固有频率的降低率相差很小,并在一定范围内与退化量呈线性关系．     

基于接触分析的转定子系统整周碰摩故障模拟

以一个单跨双盘柔性转子系统为研究对象,建立转子系统的有限元模型,基于接触动力学理论,将转子和定子简化为一个点-点接触单元,通过转定子间的圆形间隙变化来模拟转定子的分离及整周接触,并通过碰摩力耦合转定子模型,采用增广的拉格朗日方法处理接触约束条件,用库仑摩擦模型模拟转定子之间摩擦,考虑不同转速、转定子间隙、转定子法向接触刚度、阻尼和摩擦系数对转子系统动力学特性的影响。研究结果表明:转速和转定子法向接触刚度对系统响应影响最大,转定子法向接触阻尼和摩擦系数次之,转定子间隙影响最小。     

非对称柔性转子系统的动力特性分析

从一个受非线性油膜力作用的非对称柔性转子模型出发，以短轴承支撑的非对称柔性转子－轴承－基础系统为研究对象，考虑了转子和基础刚度的各向异性，并采用由三个函数确定的非稳态油膜力的解析表达式，运用数值积分的方法，研究了系统参数对系统的稳定性和分叉特性的影响，结果表明可以通过调整转子和基础刚度的各向异性系统来提高转子系统的稳定性。     

拉杆松弛导致预紧失谐组合转子性能退化研究

由结构损伤导致性能退化角度出发,分析拉杆松弛引起的预紧失谐组合转子性能退化特性。利用跨尺度计算方法获得轮盘界面接触刚度并对接触界面等效处理,提出考虑粗糙界面及预紧的组合转子动力学建模方法。在此基础上进行组合转子动力学分析,获得组合转子固有频率随时间变化规律;建立以组合转子频率相对降低量表征其性能退化量的定量评估方法,对退化数据进行处理并描述组合转子退化轨迹,实现拉杆松弛引起的组合转子性能退化定量评估;对初始预紧失谐程度相同的组合转子进行不平衡响应分析,获得预紧失谐组合转子退化特征。结果表明,组合转子性能退化量参数服从指数函数分布,负失谐对组合转子不平衡响应影响较大。     

拉杆结构中弹簧刚度和有限元模型刚度融合修正方法研究

为建立更加准确的航空发动机高压转子的有限元模型,对表征高压转子拉杆结构的盘与盘、拉杆与盘之间接触的力学模型进行研究,重构了接触部位的有限元模型。提出弹簧刚度矩阵和有限元模型刚度矩阵的融合修正方法,建立了包含接触的有限元刚度整体优化模型。运用拉直算子将优化模型中需要修正的参数分离出来,结合实验模态分析得到的模态参数对有限元刚度矩阵进行了修正。实例证明修正后的有限元模型真实反映了拉杆联接的航空发动机高压转子的接触状态。     

不等尺寸双层混凝土路面结构力学模型研究

将刚性或半刚性基层上水泥混凝土路面简化处理为弹性地基上不等平面尺寸双层结构模型,面层、基层层间接触采用二元弹簧来模拟水平向从光滑到连续,竖向从连续到分离的情形。进而,通过一些算例,讨论了有限元解的收敛性和单元划分,实体与薄板两种单元的适用性,基层超宽效应和邻板影响,以及半无限弹性体和Winkler两种地基类型的差异。结果表明:实体单元较薄板单元更适用于混凝土路面结构应力分析;基层超宽可降低面层应力0%―22%,但增大了基层自身应力;接缝设传力杆、拉杆可有效降低板底脱空程度;采用不等平面尺寸双层结构模型,由弯沉反算的地基模量k在不同荷位均较为一致。     

Dynamic behavior of delaminated plates considering progressive failure process

The paper is to study on dynamic response behavior of the delaminated composite plates considering progressive failure process. A formula of element stiffness and mass matrices for the composite laminates is deduced by using the first-order shear deformation theory combined with the selecting numerical integration scheme. A damping model is constituted by a generalized orthogonal damping model on basis of Adams' strain energy method. A virtual interface linear spring element is also employing for avoiding the overlap and penetration phenomenon between the upper and lower sublaminates at the delamination region. The failure analysis method for the delaminated plates under dynamic loading is established by a modified Newmark direct integral method in conjunction with Tsai's failure criterion and corresponding stiffness degradation scheme. By some numerical examples, the effects of frequency of dynamic load, delamination length and location, and reduction of structure stiffness during the progressive failure process upon dynamic behavior of the delaminated composite plates are discussed. The method and conclusions would be useful for composite structures designers.     

桩土动力分析中二维接触模型的研究

根据桩土动力相互作用中的接触界面特性,提出了考虑桩土分离、滑移以及桩基提离效应的二维接触模型的本构行为,推导了其相应的单元刚度矩阵,同时引入阻尼成分考虑了桩土动力相互作用中部分能量的耗散问题,并研究了二维接触单元的厚度选择。通过算例分析,得出在中小地震作用下应用接触模型计算得到的上部结构的加速度反应、水平位移反应都较Goodman接触单元有不同程度的降低,且强震作用下的接触模型反映出了桩土动力相互作用中的桩土分离、滑移以及桩基提离效应。     

船用长方体形空气弹簧隔振器刚度特性

长方体形空气弹簧因其结构特点可以通过改变特性参数和工况获得理想的垂向和横向刚度比,从而可以更好地满足工程应用的要求。综合考虑橡胶-帘布复合材料的材料非线性、大变形过程中的几何非线性以及基座刚性板与胶囊柔性体之间的接触非线性,建立长方体形空气弹簧的有限元模型,分别计算并绘制在不同的初始工作气压、气体容积、帘线层数以及帘线角度下空气弹簧的垂向与横向刚度特性曲线,并研究这些因素对其刚度特性的影响。最后,通过试验证明有限元分析结果的可靠性。     

基于多尺度下塑性指数模型的结合面接触刚度计算方法EI北大核心CSCD

螺栓连接结合面的接触特性是影响机械系统动静态特性的关键。当结合面处于振动疲劳状态时,会导致阻尼增大和共振频率减小,因此建立精确的栓接结合面接触模型对研究整个机床的动态特性有着十分重要的意义。结合Greenwood和Williamson给出的塑性指数表达式、统计学的粗糙度参数和分形参数,建立了与微凸体频率序数相关的塑性指数模型,从而根据塑性指数得到微凸体弹性-弹塑性-塑性变形的临界频率序数,并基于赫兹接触理论,通过对不同频率区间内微凸体的积分得到整个结合面的接触载荷和接触刚度。最后,通过有限元仿真与试验相结合共同验证了理论模型的正确性,证明该理论模型具有较强的工程应用价值。     

一种机床固定结合面形状的拓扑设计方法

提出了一种考虑动力学特性的机床固定结合面形状的拓扑设计方法,将固定结合面实际接触区域的接触刚度模型等效为一种有限单元材料模型,给出了其材料等效模型——弹性模量及剪切模量的计算方法,并以此等效模型确定了固定结合面接触单元的刚度矩阵。采用渐进结构优化法进行固定结合部接触区域拓扑形状的优化设计,即采用删除准则,消除对总体固有频率贡献较小的接触区域材料,达到主动设计结合面实际接触区域的拓扑结构。通过车头箱与斜床身的螺钉结合面的工程案例,阐述了拓扑形状的动力学主动设计的基本流程,证明了这种方法的可行性与实用性。     

Application of the Inverse Substructure Method in the Investigation of Dynamic Characteristics of Product Transport System

Product, packaging and vehicle constitute a complex product transport system in logistics. It is very difficult to obtain accurately the dynamic response of a product transport system under the action of environmental vibration and shock. In this paper, product transport system is treated as a two substructure‐coupled system composed of product system (including critical element) and vehicle connected by packaging and its fixing (location pattern, securing, etc.); the inverse substructure method is applied to the analysis of the dynamic characteristics of the system. For verification of the validity of the inverse substructure method for product transport system, a typical lumped mass model is taken as an example for numerical validation. To check out the accuracy of the method, we completed the experiment, and the predicted substructure‐level frequency response functions are in overall agreement with those measured. The sensitivity of the method to measurement error is also made. To study the influences of the product parameters, packaging and its fixing, we investigated the effects of the coupling stiffness, mass ratio, frequency parameter ratio and damping on the dynamic response of critical element. Reducing the coupling static stiffness of product–vehicle interface can effectively lower the response of critical element, especially when the coupling stiffness is less than the stiffness of product and vehicle. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑支承动刚度的船舶轴系横向冲击响应计算

对船舶轴系进行冲击响应计算，通常在轴架支承处采用弹性边界处理，取一个近似的支承静刚度。采用实验方法对某舰尾轴架进行动刚度测量，得到了前尾轴架和后尾轴架的横向动刚度曲线。以此为基础，对该舰的轴系，建立了有限元模型，轴架支撑处横向动刚度用广义弹簧-阻尼器系统进行模拟，计算了在横向冲击作用下考虑动刚度效应的轴系横向冲击响应。     

一系螺旋弹簧动刚度对车辆-轨道耦合振动影响分析

建立准确表征一系悬挂轴箱螺旋弹簧波动特性的力学模型,运用动刚度矩阵法求解,研究其对悬挂系统隔振性能影响。结合基于格林函数法的车辆-轨道耦合动力学模型,引入弹簧刚度频变特性,对比分析考虑一系螺旋弹簧频变刚度前后车辆动力学性能之间的差异。结果表明,动刚度矩阵法可以精确求解螺旋弹簧随频率变化的动刚度特性,在一阶模态振动频率后弹簧刚度值呈现103等级的剧烈变化,该结果与有限元模型结果一致;一系螺旋弹簧的动态频率特性导致轮轨激励由车轮至构架的振动位移传递率提高到接近于1,而对车体的振动传递率提高到了10-3左右;在整车车辆-轨道动力学计算中,其对轮轨振动影响较小,但车体与构架出现了较高的高频振动能量峰值。包含一系悬挂动刚度的车辆模型更接近实际,为了降低车辆振动,应尽量提高一系螺旋弹簧自振频率并降低动刚度变化幅值。