一种螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法技术

本发明专利技术属于螺栓连接转子动力技术领域，尤其涉及一种螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法。螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法包括以下步骤首先求解螺栓连接的时变刚度；其次将其引入到鼓筒结构的减缩模型；最后求解系统响应特性，并分析不同螺栓个数、螺栓松动以及转速对螺栓连接结构的时变刚度与系统响应特性的影响。该方法具有较高的计算精度，用于结构响应特性的分析，提高了计算效率。所建立的模型可用于研究螺栓连接旋转鼓筒结构的故障分析，比如螺栓个数对时变刚度影响、螺栓的松动对时变刚度影响和系统转速对时变刚度影响等。

A method for analyzing the response characteristics of a bolted connection drum rotor structure

The invention belongs to the field of dynamic technology of bolted connection rotor, in particular to a response characteristic analysis method of bolted connection drum rotor structure. The analysis method of response characteristics of bolted drum rotor structure includes the following steps: first, solving the time-varying stiffness of bolted connection; secondly, introducing it into the reduction model of drum structure; finally, solving the response characteristics of the system, and analyzing the time-varying stiffness and system of bolted connection structure with different number of bolts, bolt loosening and rotational speed. Unified response characteristics. The method has high computation accuracy and is used for the analysis of structural response characteristics and improves the computational efficiency. The model can be used to study the fault analysis of bolted rotating drum structure, such as the influence of bolt number on time-varying stiffness, the influence of bolt loosening on time-varying stiffness and the influence of system speed on time-varying stiffness.

【技术实现步骤摘要】
一种螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法
本专利技术属于螺栓连接转子动力
，尤其涉及一种螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法。
技术介绍
螺栓连接的盘鼓式转子结构广泛应用于大型航空发动机，其结构可靠性直接影响了航空发动机转轴的转动特性与稳定性。并且由于连接结构的存在，转子系统的动力学特性变得越来越复杂，螺栓的松动会导致结构的响应特性发生较大变化。文献【ZhaiX,ZhaiQG,WangJJ,etal.Researchonparameterizedmodelingtechnologyfortheboltedjointsstructure[J].AppliedMechanicsandMaterials.2014,565:211-216.】分别采用完全耦合建模方法与弹簧参数化建模方法模拟螺栓连接，并通过与实验模态结构对比，指出参数化建模方法在保证建模精度的同时，提高了求解效率。目前，国内外学者们针对转子系统中螺栓连接结构的研究依然很少，并且多数学者局限于对其固有特性的分析，对结构的连接非线性以及响应特性的研究较少，且并未考虑转速效应对其影响。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题针对现有存在的技术问题，本专利技术提供一种螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法，以提高计算效率，节省更多的时间和计算机资源。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法，其包括以下步骤：首先求解螺栓连接的时变刚度；其次将其引入到鼓筒结构的减缩模型；最后求解系统响应特性，并分析不同螺栓个数、螺栓松动以及转速对螺栓连接结构的时变刚度与系统响应特性的影响。优选的，求解螺栓连接刚度值包括以下步骤：在ANSYS软件中采用弹簧单元Matrix27模拟鼓筒转子结构中的螺栓连接部分，首先求解6个方向的静刚度值，通过力除以变形得到系统的6个方向的静刚度kx、ky、kz、kθx、kθy、kθz；为确定弹簧刚度，弹簧单元所需要的6个方向的刚度是螺栓连接结构结合面的界面特性，选取螺栓连接的中间盘鼓结构进行静力学分析，盘鼓与螺栓均采用Solid185单元建模，采用接触单元Conta174与目标单元Targe170建立界面接触，将盘鼓结构一端全约束，另一端施加轴向拉压力Fa，剪切力Ft，弯矩M，扭矩T，进而通过公式k＝F/ΔS，求得螺栓连接刚度Kt；其中，kx代表x方向的剪切刚度，大小等于x方向剪力除以横向位移；ky代表y方向的剪切刚度，大小等于y方向剪力除以横向位移；kz代表z方向的轴向刚度，大小等于z方向拉力除以轴向位移；kθx代表x方向的转角刚度，大小等于x方向弯矩除以摆动角度；kθy代表x方向的弯矩除以摆动角度，kθz代表z方向的扭转刚度，大小等于z方向扭矩除以扭转角度。优选的，建模减缩模型的具体步骤包括：利用ANSYS软件的APDL功能建立梁壳和弹簧单元混合建模减缩模型，采用混合单元模拟转轴、鼓筒、平衡盘和中间盘结构，其中转轴采用采用Beam188单元，鼓筒、平衡盘和中间盘采用Shell181单元，采用弹簧单元，即Matrix27单元模拟所有螺栓结构；转轴与鼓筒连接处和转轴与平衡盘连接处即梁壳单元连接处采用刚性绑定处理，采用Cerig单元，弹簧单元采用点点接触，即将1个螺栓简化成具有6个方向刚度的2根弹簧，2根弹簧之间的关系是并联关系。优选的，所述Matrix27单元为矩阵单元，该单元有2个节点，每个节点有6个自由度，即沿节点坐标系的3个平动位移自由度和3个转动位移自由度。Matrix27单元定义的所有矩阵均为12×12维，通过设置Matrix27单元的Keyopt定义矩阵为刚度矩阵，通过设置Matrix27单元的常数R定义6个方向的刚度值；由于螺栓数目共有24个，因此，建立24个Matrix27单元，即在每个螺栓预紧力夹紧区域作用内建立一个Matrix27单元，且每一个Matrix27单元刚度值一致。优选的，对于梁壳和弹簧单元混合建模减缩模型，非线性部分是由弹簧时变刚度引入，因此，除弹簧单元以外，其它部分全部采用超单元进行减缩，两种减缩模型采用的减缩方法为模态综合法中的固定界面法，截断阶数为50阶。优选的，系统时变刚度求解步骤包括：求得的螺栓连接刚度Kt进行差值与延拓得到KT用于求解螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性；系统的响应特性求解步骤包括：首先建立螺栓连接鼓筒转子结构减缩梁-壳-弹簧混合有限元模型，其次，在右端不平衡盘质心处x方向施加正弦激励Fx＝F0sin(2πfet)，y方向施加余弦激励Fy＝F0cos(2πfet)，式中F0为激振力的幅值，fe为激振力的频率，t为求解时间，各参数取值如下：F0＝10N，fe＝30Hz，t＝100×1/fe；最后采用Newmark-β求解其响应特性，并提取右端不平衡盘质心处的节点位移，得到响应曲线。优选的，分析不同螺栓个数对螺栓连接结构的时变刚度与系统响应特性的影响的步骤包括以下步骤：基于螺栓连接结构的时变刚度Kt求解流程，分析若干个螺栓的螺栓连接结构的时变刚度与结构响应特性，提取0°-360°度螺栓连接的时变刚度。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法，具有较高的计算精度，用于结构响应特性的分析，提高了计算效率。所建立的模型可用于研究螺栓连接旋转鼓筒结构的故障分析，比如螺栓个数对时变刚度影响、螺栓的松动对时变刚度影响和系统转速对时变刚度影响等。附图说明图1为本专利技术具体实施方式提供的螺栓连接鼓筒转子的结构示意图；图2为本专利技术具体实施方式提供的螺栓连接刚度求解示意图；图3为本专利技术具体实施方式提供的模态综合法求解流程图；图4a为本专利技术具体实施方式提供的时变刚度具体求解流程示意图；图4b为本专利技术具体实施方式提供的相应特性的流程图；图5a、5b、5c、5d、5e、5f分别表示的是不同螺栓数目的时变刚度曲线；图6a、6b、6c分别表示的不同螺栓数目下的三维图谱；图7a、7b、7c、7d、7e、7f分别表示的不同螺栓松动数目的时变刚度曲线；图8a、8b表示的是不同松动螺栓数目下的三维谱图；图9a、9b、9c、9d、9e、9f分别表示不同转速下螺栓连接的时变刚度曲线；图10a、10b分别表示不同转速下的三维谱图。【附图标记说明】1：短轴；2：左盘；3：左鼓筒；4：中间盘；5：右鼓筒；6：右盘；7：平衡盘；8：长轴；9：螺栓；具体实施方式为了更好的解释本专利技术，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本专利技术作详细描述。在本实施方式中，提供了一种螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法，其中，参照图1，螺栓连接鼓筒转子结构包括短轴1、左盘2、左鼓筒3、中间盘4、右鼓筒5、右盘6、平衡盘7和长轴8，其中，短轴1和左盘2固定连接，左盘2与左鼓筒3连接，左鼓筒3、中间盘4和右鼓筒5通过螺栓9连接，右鼓筒5与右盘6连接，右盘6和长轴8固定连接，平衡盘7设置在长轴8上。螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法包括首先求解螺栓连接的时变刚度；其次将其引入到鼓筒结构的减缩模型；最后求解系统响应特性，并分析不同螺栓个数、螺栓松动以及转速对螺栓连接结构的时变刚度与系统响应特性的影响。螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法，具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法，其特征在于：包括以下步骤：首先求解螺栓连接的时变刚度；其次将其引入到鼓筒结构的减缩模型；最后求解系统响应特性，并分析不同螺栓个数、螺栓松动以及转速对螺栓连接结构的时变刚度与系统响应特性的影响。

【技术特征摘要】
1.一种螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法，其特征在于：包括以下步骤：首先求解螺栓连接的时变刚度；其次将其引入到鼓筒结构的减缩模型；最后求解系统响应特性，并分析不同螺栓个数、螺栓松动以及转速对螺栓连接结构的时变刚度与系统响应特性的影响。2.根据权利要求1所述的螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法，其特征在于，求解螺栓连接刚度值包括以下步骤：在ANSYS软件中采用弹簧单元Matrix27模拟鼓筒转子结构中的螺栓连接部分，首先求解6个方向的静刚度值，通过力除以变形得到系统的6个方向的静刚度kx、ky、kz、kθx、kθy、kθz；为确定弹簧刚度，弹簧单元所需要的6个方向的刚度是螺栓连接结构结合面的界面特性，选取螺栓连接的中间盘鼓结构进行静力学分析，盘鼓与螺栓均采用Solid185单元建模，采用接触单元Conta174与目标单元Targe170建立界面接触，将盘鼓结构一端全约束，另一端施加轴向拉压力Fa，剪切力Ft，弯矩M，扭矩T，进而通过公式k＝F/ΔS，求得螺栓连接刚度Kt；其中，kx代表x方向的剪切刚度，大小等于x方向剪力除以横向位移；ky代表y方向的剪切刚度，大小等于y方向剪力除以横向位移；kz代表z方向的轴向刚度，大小等于z方向拉力除以轴向位移；kθx代表x方向的转角刚度，大小等于x方向弯矩除以摆动角度；kθy代表x方向的弯矩除以摆动角度，kθz代表z方向的扭转刚度，大小等于z方向扭矩除以扭转角度。3.根据权利要求2所述的螺栓连接鼓筒转子结构的响应特性分析方法，其特征在于，建模减缩模型的具体步骤包括：利用ANSYS软件的APDL功能建立梁壳和弹簧单元混合建模减缩模型，采用混合单元模拟转轴、鼓筒、平衡盘和中间盘结构，其中转轴采用采用Beam188单元，鼓筒、平衡盘和中间盘采用Shell181单元，采用弹簧单元，即Matrix27单元模拟所有螺栓结构；转轴与鼓筒连接处和转轴与平衡盘连接处即梁壳单元连接处采用刚性绑定处理，采用Cerig单元，弹簧单元采用点点接触，即将1个螺栓简化成具有6个方向刚度的2根弹簧，2根...

【专利技术属性】
技术研发人员：马辉，李坤，孟春晓，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21