航空发动机复杂转子系统的等效建模方法技术方案

本发明专利技术公开了一种航空发动机复杂转子系统的等效建模方法，通过对复杂转子系统的实体转子结构进行静力等效分析，获取等效模型的几何尺寸；根据等效模型的几何尺寸，对实体转子结构的材料参数进行重修正，确定等效建模后的转子结构；对确定的等效建模后的转子结构进行动力验证。本发明专利技术有效结合转子系统的静力分析结果和动力分析结果，提高复杂转子系统计算精度；克服三维有限元单元计算效率低下的问题，可大大提升转子动力学非线性动响应的计算效率。

【技术实现步骤摘要】
航空发动机复杂转子系统的等效建模方法
本专利技术涉及发动机的转子建模领域，特别地，涉及一种航空发动机复杂转子系统的等效建模方法。
技术介绍
旋转机械被广泛应用于包括燃气轮机、工业压缩机、电动机及航空发动机等机械装置中。由其在航空领域中起着非常重要的作用，而对其动力学特性的研究也形成了一门专门的学科——转子动力学。转子动力学是研究所有与旋转机械转子及其部件和结构有关的动力学特性，包括动态响应、振动、强度、疲劳、稳定性、可靠性、故障诊断和控制的一门学科。转子动力学的研究模型，1895年Foppl提出了最初及最简单的Jeffcott转子模型，该模型是一根两端刚支的无质量的轴和在其中部的圆盘组成。而随着计算方法的改进以及计算机速度的提高，先后出现了如Riccati传递矩阵法、传递矩阵-阻抗耦合法、传递矩阵-分振型综合法及传递矩阵-直接积分法等专门针对转子系统而建立的分析方法，也开发了许多基于有限元的分析软件，对转子系统的力学性能进行分析。利用有限元分析软件的转子动力学分析主要是基于有限元建模方法，主要步骤如图1所示，其虽然相对于传递矩阵法来说，提高了计算精度，但对于转子系统有各种不同的建模方法，其计算精度和效率有赖于不同工程师的工程经验，不具有建模的标准化方法。因此，复杂转子系统的计算效率低下和计算精度不高，是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种航空发动机复杂转子系统的等效建模方法，以解决复杂转子系统的计算效率低下和计算精度不高的技术问题。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供一种航空发动机复杂转子系统的等效建模方法，包括步骤：对复杂转子系统的实体转子结构进行静力等效分析，获取等效模型的几何尺寸；根据等效模型的几何尺寸，对实体转子结构的材料参数进行重修正，确定等效建模后的转子结构；对确定的等效建模后的转子结构进行动力验证。进一步地，对复杂转子系统的实体转子结构进行静力等效分析，获取等效模型的几何尺寸的步骤包括：对实体转子结构进行静力等效分析，根据实体转子结构的材料特性和刚度，获取转子轴等效外径。进一步地，实体转子结构为空心转子轴，对实体转子结构进行静力等效分析，根据实体转子结构的材料特性和刚度，获取转子轴等效外径的步骤包括：获取空心转子轴的转子轴内径和转子轴外径；根据获取的转子轴内径和转子轴外径，计算出空心转子轴的横截面极惯性矩；根据计算出的空心转子轴的横截面极惯性矩，在转子轴内径恒定的前提下，获取转子轴等效外径。进一步地，根据计算出的空心转子轴的横截面极惯性矩，在转子轴内径恒定的前提下，获取转子轴等效外径的步骤还包括：在实体转子结构一端固定的约束情形下，计算出复杂转子系统在各个方向上的静位移，并挑选出最大静位移；根据挑选出的最大静位移，计算出转子轴等效外径。进一步地，计算出来的横截面极惯性矩的表达式为：其中，I为横截面极惯性矩，π为圆周率常数，D为转子轴外径，d为转子轴内径。进一步地，转子轴等效外径的表达式为：其中，D′为转子轴等效外径，F为所施加的横向力，l为转子长度，E为弹性模量，I为横截面极惯性矩，wmax为复杂有限元转子模型的最大静位移，d为转子轴内径。进一步地，材料参数包括材料密度，根据等效模型的几何尺寸，对实体转子结构的材料参数进行重修正，确定等效建模后的转子结构的步骤包括：根据计算出来的转子轴等效外径，对实体转子结构的材料密度进行重修正，利用质量守恒原理，确定修正后的转子等效密度。进一步地，转子等效密度的表达式为：其中，ρ′为修正后的材料密度，ρ为结构初始材料密度，D为转子轴外径，D′为转子轴等效外径，d为转子轴内径。进一步地，对确定的等效建模后的转子结构进行动力验证的步骤包括：利用有限元分析法对等效建模后的转子结构进行模态分析，计算转子模态频率误差，对确定的等效建模后的转子结构进行动力验证。进一步地，利用有限元分析法对等效建模后的转子结构进行模态分析，计算转子模态频率误差，对确定的等效建模后的转子结构进行动力验证的步骤包括：比较等效建模前后的模态频率，若计算出来的转子模态频率误差在允许误差范围之内，则复杂转子系统的等效建模成功。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提出的航空发动机复杂转子系统的等效建模方法，通过对复杂转子系统的实体转子结构进行静力等效分析，获取等效模型的几何尺寸；根据等效模型的几何尺寸，对实体转子结构的材料参数进行重修正，确定等效建模后的转子结构；对确定的等效建模后的转子结构进行动力验证。本专利技术有效结合转子系统的静力分析结果和动力分析结果，提高复杂转子系统计算精度；克服三维有限元单元计算效率低下的问题，可大大提升转子动力学非线性动响应的计算效率。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是现有技术中基于有限元建模方法的流程示意图；图2是本专利技术航空发动机复杂转子系统的等效建模方法一实施例的流程示意图；图3是本专利技术航空发动机复杂转子系统结构示意图；图4是本专利技术航空发动机复杂转子系统等效转子示意图；图5是本专利技术航空发动机复杂转子系统等效前转子轴示意图；图6是本专利技术航空发动机复杂转子系统等效前转子轴的横截面示意图；图7是本专利技术航空发动机复杂转子系统等效后转子轴示意图；以及图8是本专利技术航空发动机复杂转子系统一实施例的动力验证结果对比示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。参照图1，本专利技术的优选实施例提供了一种航空发动机复杂转子系统的等效建模方法，包括步骤：步骤S100、对复杂转子系统的实体转子结构进行静力等效分析，获取等效模型的几何尺寸。对复杂转子系统的实体转子结构进行静力等效分析，获取等效模型的几何尺寸，所述等效模型的几何尺寸可以为转子轴等效外径，也可以为转子轴等效内径，在此不再一一列举。在本实施例中，根据实体转子结构的材料特性和刚度，获取转子轴等效外径。具体地，根据如图3所示的复杂转子系统的转子轴，首先获取空心转子轴的转子轴内径和转子轴外径，然后根据获取的转子轴内径和转子轴外径，计算出空心转子轴的横截面极惯性矩，由于转子多采用各向同性材料，即各方向的弹性模量相等，且其振动模态主要为弯曲模态，故仅需要确定等效弯曲刚度即可。又由于该转子轴为空心圆截面，如图6所示，故其横截面极惯性矩I的计算公式为：其中，I为横截面极惯性矩，π为圆周率常数，D为转子轴外径，d为转子轴内径。在本实施例中，计算转子轴的一端在固定约束条件下的各个方向静位移(挠度)，并挑选出最大静位移，并根据挑选出的最大静位移，计算出转子轴等效外径。静力变形挠度计算公式为：其中，wmax为复杂有限元转子模型的最大静位移，即最大挠度；F为所施加的横向力，l为转子长度，E为弹性模量，I为公式(1)中所计算得出的横截面极惯性矩。等效前转子轴的参数具体如图3和图5所示。最后根据计算出的空心转子轴的横截面极惯性矩，在转子轴内径恒定的前提下，获取转子轴等效外径。本实施中，在内径d恒定的前提下，由公式(1)和公式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航空发动机复杂转子系统的等效建模方法，其特征在于，包括步骤：对所述复杂转子系统的实体转子结构进行静力等效分析，获取等效模型的几何尺寸；根据等效模型的几何尺寸，对实体转子结构的材料参数进行重修正，确定等效建模后的转子结构；对确定的等效建模后的转子结构进行动力验证。

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机复杂转子系统的等效建模方法，其特征在于，包括步骤：对所述复杂转子系统的实体转子结构进行静力等效分析，获取等效模型的几何尺寸；根据等效模型的几何尺寸，根据质量守恒原理对实体转子结构的密度参数进行重修正，确定等效建模后的转子结构；对确定的等效建模后的转子结构进行动力验证。2.根据权利要求1所述的航空发动机复杂转子系统的等效建模方法，其特征在于，所述对复杂转子系统的实体转子结构进行静力等效分析，获取等效模型的几何尺寸的步骤包括：对所述实体转子结构进行静力等效分析，根据所述实体转子结构的材料特性和刚度，获取转子轴等效外径。3.根据权利要求2所述的航空发动机复杂转子系统的等效建模方法，其特征在于，所述实体转子结构为空心转子轴，所述对实体转子结构进行静力等效分析，根据所述实体转子结构的材料特性和刚度，获取转子轴等效外径的步骤包括：获取所述空心转子轴的转子轴内径和转子轴外径；根据获取的所述转子轴内径和所述转子轴外径，计算出所述空心转子轴的横截面极惯性矩；根据计算出的所述空心转子轴的横截面极惯性矩，在所述转子轴内径恒定的前提下，获取所述转子轴等效外径。4.根据权利要求3所述的航空发动机复杂转子系统的等效建模方法，其特征在于，所述根据计算出的所述空心转子轴的横截面极惯性矩，在所述转子轴内径恒定的前提下，获取所述转子轴等效外径的步骤还包括：在所述实体转子结构一端固定的约束情形下，计算出所述复杂转子系统在各个方向上的静位移，并挑选出最大静位移；根据挑选出的最大静位移，计算出所述转子轴等效外径。5.根据权利要求3或4所述的航空发动机复杂转子系统的等效建模方法，其特征在于，所述计算出来的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴春来，蔡显新，陈亚农，
申请(专利权)人：中国航空动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：湖南;43