一种非重力占优裂纹转子刚度呼吸函数计算方法技术

本发明专利技术提供一种非重力占优裂纹转子刚度呼吸函数计算方法，求解精度高，适用性强，其包括如下步骤，首先，在某一转涡差角处，通过假设初始回复力方向，确定该状态下裂纹处转子横截面的应力拉压分布，得到裂纹截面闭合区域；其中，裂纹处转子横截面即为裂纹截面；裂纹截面闭合区域即为闭合截面；然后，利用弯曲理论，计算得到该状态下的转子刚度；利用求得转子刚度，修正该状态下的回复力，依次迭代直至刚度收敛；遍历转涡差角定义域内所有离散值，得到其对应的离散刚度值；最后，利用数据拟合方法，将离散状态的刚度拟合成关于转涡差角的三角基函数连续表达式，获得非重力占优裂纹转子呈呼吸状态变化的刚度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械动力学领域，具体为一种非重力占优裂纹转子刚度呼吸函数计算方法。
技术介绍
汽轮机、压缩机等大型旋转机械是国家电力及化工行业中最为关键并且应用最为广泛的一类机械设备。由于这类大型设备结构复杂，工况变化大，很容易引起设备材料的疲劳裂纹。在设备的实际运行过程中，转子裂纹是最主要的故障之一。为实现转子裂纹监测，避免造成机毁人亡的灾难性事故，有必要深入地研究裂纹转子系统的动力学特性。裂纹转子呼吸刚度的准确计算，是研究其动力学特性的前提。目前，横向裂纹刚度模型有两种：全开裂纹模型和开闭裂纹模型。开闭裂纹模型是指在转子运行过程中，裂纹时而张开，时而闭合，时而半开半闭，因其综合考虑了裂纹截面的三种状态，更能反映实际转子的运行情况。现有的基于中性轴理论的开闭裂纹刚度解析解，虽然能反应裂纹的呼吸效应，但忽略了裂纹截面不对称引起的中性轴偏移，仍假设中性轴经过裂纹截面圆心，因此该模型会有确定裂纹张开区域不准确的情况。经改进的于中性轴理论的开闭裂纹刚度计算在不考虑裂纹端应力集中的假设条件下，当裂纹处于全开或半开半闭状态时，考虑裂纹张开区域对裂纹截面中性轴位置的影响，得到偏离完好截面形心一定距离的中性轴，位于中性轴上方的部分裂纹面处于压应力区，处于闭合状态，位于中性轴下方的部分裂纹面处于拉应力区，处于张开状态。但是这种改进认为弹性回复力的方向与转子轴心位移的方向是一致的，然后，由于裂纹的存在，导致转子的各向刚度不等，回复力的方向并不与轴心位移方向一致，该方法仍不能准确计算裂纹转子的刚度。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种非重力占优裂纹转子刚度呼吸函数计算方法，求解精度高，适用性强，能准确求解不同截面形状、具有呼吸裂纹的转子在任意旋转状态下的刚度。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种非重力占优裂纹转子刚度呼吸函数计算方法，首先，在某一转涡差角处，通过假设初始回复力方向，确定该状态下裂纹处转子横截面的应力拉压分布，得到裂纹截面闭合区域；其中，裂纹处转子横截面即为裂纹截面；裂纹截面闭合区域即为闭合截面；然后，利用弯曲理论，计算得到该状态下的转子刚度；利用求得转子刚度，修正该状态下的回复力，依次迭代直至刚度收敛；遍历转涡差角定义域内所有离散值，得到其对应的离散刚度值；最后，利用数据拟合方法，将离散状态的刚度拟合成关于转涡差角的三角基函数连续表达式，获得非重力占优裂纹转子呈呼吸状态变化的刚度。优选的，具体包括以下步骤：1)将转涡差角ψ的定义域[0,2π]离散成N等分，将裂纹截面划分成多个离散的面单元；2)在选取的某一个转涡差角下，假设回复力方向和转子轴心位移方向反向，计算每一个面单元的应力，由中性层理论，计算得到闭合截面；3)计算当前闭合截面的惯性主轴位置，再重复步骤2，重新计算其面单元的应力，直至得到收敛的闭合截面；4)由收敛的闭合截面，利用弯曲理论，计算得到该状态的转子刚度；5)利用求得该转涡差角下的转子刚度，由如下公式计算转子回复力： F x F y = - k x k x y k x y k y x o ′ y o ′ ; ]]>其中，Fx和Fy为回复力沿固定坐标系o-xy中x和x轴的分力，kx，ky和
kxy为转子相对于固定坐标系的三向弯曲刚度，xo'和yo'为转子相对于固定坐标系的轴心位移；6)重复步骤2)～5)，直至该状态下的回复力收敛，得到该转涡差角下的转子刚度；7)再选取任一未计算过的转涡差角，重复步骤2)～6)，直至遍历完定义域内N个转涡差角；得到每个转涡差角下对应的转子刚度；8)利用数据拟合方法，将N个呈离散转涡差角状态的转子刚度拟合成三角基函数的连续表达式，即为刚度呼吸函数，从而得到呼吸变化的刚度值。进一步，所述利用数据拟合方法，将N个呈离散状态的转子刚度拟合成关于转涡差角的三角基函数连续表达式，包括以下步骤：对于轴对称分布的水平和垂直两向刚度，令其为cos(ψ)基函数形式的步骤，其中，kx＝a(1)cos(ψ)+a(2)cos(ψ)2+a(3)cos(ψ)3+a(4)cos(ψ)6+a(5)cos(ψ)7+a(6)cos(ψ)8+a(7)cos(ψ)9+a(8)cos(ψ)10+a(9)cos(ψ)15+a(10)cos(ψ)19+a(11) k y = Σ i = 1 7 a ( i ) c o s ( ψ ) i + a ( 8 ) ; ]]>对于中心对称分布的交叉刚度，令其为傅里叶级数形式的步骤，其中， k x 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非重力占优裂纹转子刚度呼吸函数计算方法，其特征在于，首先，在某一转涡差角处，通过假设初始回复力方向，确定该状态下裂纹处转子横截面的应力拉压分布，得到裂纹截面闭合区域；其中，裂纹处转子横截面即为裂纹截面；裂纹截面闭合区域即为闭合截面；然后，利用弯曲理论，计算得到该状态下的转子刚度；利用求得转子刚度，修正该状态下的回复力，依次迭代直至刚度收敛；遍历转涡差角定义域内所有离散值，得到其对应的离散刚度值；最后，利用数据拟合方法，将离散状态的刚度拟合成关于转涡差角的三角基函数连续表达式，获得非重力占优裂纹转子呈呼吸状态变化的刚度。

【技术特征摘要】
1.一种非重力占优裂纹转子刚度呼吸函数计算方法，其特征在于，首先，在某一转涡差角处，通过假设初始回复力方向，确定该状态下裂纹处转子横截面的应力拉压分布，得到裂纹截面闭合区域；其中，裂纹处转子横截面即为裂纹截面；裂纹截面闭合区域即为闭合截面；然后，利用弯曲理论，计算得到该状态下的转子刚度；利用求得转子刚度，修正该状态下的回复力，依次迭代直至刚度收敛；遍历转涡差角定义域内所有离散值，得到其对应的离散刚度值；最后，利用数据拟合方法，将离散状态的刚度拟合成关于转涡差角的三角基函数连续表达式，获得非重力占优裂纹转子呈呼吸状态变化的刚度。2.根据权利要求1所述的一种非重力占优裂纹转子刚度呼吸函数计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：1)将转涡差角ψ的定义域[0,2π]离散成N等分，将裂纹截面划分成多个离散的面单元；2)在选取的某一个转涡差角下，假设回复力方向和转子轴心位移方向反向，计算每一个面单元的应力，由中性层理论，计算得到闭合截面；3)计算当前闭合截面的惯性主轴位置，再重复步骤2，重新计算其面单元的应力，直至得到收敛的闭合截面；4)由收敛的闭合截面，利用弯曲理论，计算得到该状态的转子刚度；5)利用求得该转涡差角下的转子刚度，由如下公式计算转子回复力： F x F y = - k x k x y k x y k y x o ′ y o ′ ; ]]>其中，Fx和Fy为回复力沿固定坐标系o-xy中x和x轴的分力，kx，ky和kxy为转子相对于固定坐标系的三向弯曲刚度，xo'和yo'为转子相对于固定坐标系的轴心位移；6)重复步骤2)～5)，直至该状态下的回复力收敛，得到该转涡差角下
\t的转子刚度；7)再选取任一未计算过的转涡差角，重复步骤2)～6)，直至遍历完定义域内N个转涡差角；得到每个转涡差角下对应的转子刚度；8)利用数据拟合方法，将N个呈离散转涡差角状态的转子刚度拟合成三角基函数的连续表达式，即为刚度呼吸函数，从而得到呼吸变化的刚度值。3.根据权利要求2所述的一种非重力占优裂纹转子刚度呼吸函数计算方法，其特征在于，所述利用数据拟合方法，将N个呈离散状态的转子刚度拟合成关于转涡差角的三角基函数连续表达式，包括以下步骤：对于轴对称分布的水平和垂直两向刚度，令其为cos(ψ)基函数形式的步骤，其中，kx＝a(1)cos(ψ)+a(2)cos(ψ)2+a(3)cos(ψ)3+a(4)cos(ψ)6+a(5)cos(ψ)7+a(6)cos(ψ)8+a(7)cos(ψ)9+a(8)cos(ψ)10+a(9)cos(ψ)15+a(10)cos(ψ)19+a(11) k y = Σ i = 1 7 a ...

【专利技术属性】
技术研发人员：訾艳阳，谢劲松，成玮，陈景龙，王宇，杨飞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61