基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法技术

本发明专利技术提供了一种基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法，包括首先定义装配体全局坐标系、确定n级转子装配过程中，第i级转子的加工误差矩阵、安装相位矩阵；确定n级转子装配后各级转子由于坐标系平移变换引起的惯性张量传递矩阵、各级转子由于坐标系旋转变换引起的惯性张量传递矩阵，其次确定经过平移与旋转综合变换后第k级转子的全局惯性张量矩阵；然后确定装配体的全局惯性张量矩阵、确定n级转子装配绕转轴的转动惯量堆叠优化模型，最后，根据优化模型利用遗传算法寻优计算各级转子安装相位。本发明专利技术可以指导航空发动机转子多级盘装配，实现整体转动惯量最优，使航空发动机转子具有良好的启停特性和精确的姿态控制。

Stacking method of moment of inertia for large high speed rotating equipment based on vector projection

【技术实现步骤摘要】
基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法
本专利技术属于机械装配
，尤其是涉及一种基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法。
技术介绍
以航空发动机、舰船燃机、电站燃机、天然气/石油输送增压燃机为代表的大型精密回转装备，由于技术复杂，研制难度大，再加上国外技术封锁，已成为我国高端装备领域中的“卡脖子”问题。以航空发动机为例，其核心机作为航空发动机的核心部件，其装配质量将直接影响航空发动机的性能，为保证航空发动机核心机能够达到设计目标，必须对每一环节进行严格把控。其中就包含转子质量特性参数的调整装配。航空发动机转子质量特性参数主要是指发动机转子的重心和惯性张量。其中惯性张量是衡量物体做定点转动时惯性大小的量，其作为航空航天器运动建模的重要参数，是进行动力学分析、姿态控制特性分析和气动弹性分析不可或缺的数据。作为高速旋转的部件，惯性张量同样是航空发动机性能分析的重要参数，其中航空发动机多级转子相对回转轴线的转动惯量尤为重要，其会影响发动机的启停特性。同时对于急剧加速和减速旋转过程也有较大影响，这关系到战机的急速攀升、俯冲等飞行性能。通过合理的方法来有效控制航空发动机多级转子相对回转轴线转动惯量，是改善航空发动机启停、加减速性能的一个重要途径。航空发动机作为精密机械设备，在生产制造过程中除了单级盘提高加工测量精度外，提高其装配精度也是重中之重。在实际生产中，往往单件加工精度符合要求，但装配后的整机验证不合格。因此，对于自研自制高性能的航空发动机，提高装配精度是当务之急。提高装配精度对于多级转子装配就是实现堆叠优化，而优化的目的是直接改善转子质量特性，减小转动惯量，提高发动机的振动和启停特性，同时也保证一次装配合格率，提高装配效率国内航空发动机装配没有将转动惯量的调整装配优化纳入到考虑范围之内。无法保证装配后转动惯量最优，非常影响安装的效率和一次成功率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法，可以指导航空发动机转子多级盘装配，实现整体转动惯量最优，使航空发动机转子具有良好的启停特性和精确的姿态控制。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法，具体包括以下步骤：步骤一、定义装配体全局坐标系，在装配过程中，选择第一级转子的下端面圆心作为坐标原点，通过坐标原点且垂直于第一级转子的下端面的轴为Z轴；通过坐标原点，垂直于Z轴且通过第一级转子初始安装位置的轴为X轴，建立装配体全局坐标；步骤二、确定n级转子装配过程中，第i级转子的加工误差矩阵，所述加工误差矩阵为：其中PiM为1×3的定位误差传递项，为3×3的定向误差传递项；步骤三、确定n级转子装配过程中，第i级转子的安装相位矩阵，其中i＝1,2，…，n，所述安装相位矩阵为：RiR为第i级转子3×3的绕Z轴旋转矩阵，为第i级转子安装位置相对于初始安装位置绕基准轴的旋转角度；步骤四、确定n级转子装配后各级转子由于坐标系平移变换引起的惯性张量传递矩阵，所述惯性张量传递矩阵为：其中mk为第k级转子的质量，为第k级转子重心在全局坐标系下的位置坐标的位置向量，为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下X轴坐标；为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下Y轴坐标；为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下Z轴坐标；步骤五、确定n级转子装配后各级转子由于坐标系旋转变换引起的惯性张量传递矩阵，所述惯性张量传递矩阵为：其中Ik为第k级转子的重心坐标系下的3×3惯性张量矩阵；步骤六、将步骤四中由于坐标系平移变换引起的惯性张量传递矩阵与步骤五中由于坐标系旋转变换引起的惯性张量传递矩阵相叠加，确定n级转子装配后，经过平移与旋转综合变换后第k级转子的全局惯性张量矩阵所述全局惯性张量矩阵为：步骤七、将各级转子的全局惯性张量矩阵逐级累加，确定n级转子装配后，装配体的全局惯性张量矩阵，所述装配体的全局惯性张量矩阵为：步骤八、根据确定n级转子装配后，装配体的全局惯性张量矩阵，确定n级转子装配绕转轴的转动惯量堆叠优化模型：式中I(3,3)为装配体全局惯性张量矩阵I中绕Z轴的转动惯量，即为多级转子装配后绕其回转轴线的转动惯量，为第k级转子安装位置相对于初始安装位置的旋转角度；步骤九、以Iz为目标函数，为变量，利用遗传算法寻优计算各级转子安装相位，确定各级转子最佳堆叠装配角度。进一步的，将最佳装配角度带入装配体的全局惯性张量矩阵中，求解装配体的全局惯性张量，实现装配后的装配体惯量参数的预测。相对于现有技术，本专利技术所述的基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法具有以下优势：本专利技术所述的基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法，利用该优化模型指导转子装配，有效降低装配后转子绕其回转轴线的转动惯量，以此指导航空发动机转子多级盘装配，实现整体转动惯量最优，使航空发动机转子具有良好的启停特性和精确的姿态控制，并且本方法还实现了通过各级转子惯量参数，预测装配后的装配体惯量参数，对于转子设计和加工制造以及航空发动机配套零部件的选型提供参考转动惯量数据。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面以实施例来详细说明本专利技术。基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法，具体包括以下步骤：步骤一、定义装配体全局坐标系，在装配过程中，选择第一级转子的下端面圆心作为坐标原点，通过坐标原点且垂直于第一级转子的下端面的轴为Z轴；通过坐标原点，垂直于Z轴且通过第一级转子初始安装位置的轴为X轴，建立装配体全局坐标；步骤二、确定n级转子装配过程中，第i级转子的加工误差矩阵，其中i＝1,2，…，n，所述加工误差矩阵为：其中PiM为1×3的定位误差传递项，为3×3的定向误差传递项；步骤三、确定n级转子装配过程中，第i级转子的安装相位矩阵，i＝1,2，…，n，所述安装相位矩阵为：RiR为第i级转子3×3的绕Z轴旋转矩阵，为第i级转子安装位置相对于初始安装位置绕基准轴的旋转角度；步骤四、确定n级转子装配后各级转子由于坐标系平移变换引起的惯性张量传递矩阵，所述惯性张量传递矩阵为：其中mk为第k级转子的质量，为已知条件，为第k级转子重心在全局坐标系下的位置坐标的位置向量，为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下X轴坐标；为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下Y轴坐标；为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下Z轴坐标；步骤五、确定n级转子装配后各级转子由于坐标系旋转变换引起的惯性张量传递矩阵，所述惯性张量传递矩阵为：其中为第i+1级转子的安装相位矩阵中的3×3旋转矩阵；Ik为第k级转子的重心坐标系下的3×3惯性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法，其特征在于：具体包括以下步骤：/n步骤一、定义装配体全局坐标系，在装配过程中，选择第一级转子的下端面圆心作为坐标原点，通过坐标原点且垂直于第一级转子的下端面的轴为Z轴；通过坐标原点，垂直于Z轴且通过第一级转子初始安装位置的轴为X轴，建立装配体全局坐标；/n步骤二、确定n级转子装配过程中，第i级转子的加工误差矩阵，所述加工误差矩阵为：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于矢量投影的大型高速回转装备转动惯量堆叠方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、定义装配体全局坐标系，在装配过程中，选择第一级转子的下端面圆心作为坐标原点，通过坐标原点且垂直于第一级转子的下端面的轴为Z轴；通过坐标原点，垂直于Z轴且通过第一级转子初始安装位置的轴为X轴，建立装配体全局坐标；
步骤二、确定n级转子装配过程中，第i级转子的加工误差矩阵，所述加工误差矩阵为：



其中PiM为1×3的定位误差传递项，为3×3的定向误差传递项；
步骤三、确定n级转子装配过程中，第i级转子的安装相位矩阵，其中i＝1,2，…，n，所述安装相位矩阵为：



RiR为第i级转子3×3的绕Z轴旋转矩阵，为第i级转子安装位置相对于初始安装位置绕基准轴的旋转角度；
步骤四、确定n级转子装配后各级转子由于坐标系平移变换引起的惯性张量传递矩阵，所述惯性张量传递矩阵为：



其中mk为第k级转子的质量，为第k级转子重心在全局坐标系下的位置坐标的位置向量，为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下X轴坐标；为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下Y轴坐标；为n级转子装配后第k级转子重心在全局坐标系下Z轴坐标；
步骤五、确定n级转子装配后各级转子由于坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永猛，谭久彬，孙传智，王晓明，王宝胜，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23