利用等效梁单元建模的阶梯转子动力学分析方法技术

本公开涉及利用等效梁单元建模的阶梯转子动力学分析方法、装置、电子设备及存储介质。通过挠度和弯矩得到阶梯转子各采样点的实际弯曲刚度，利用梁单元构建阶梯转子的第一有限元模型，并在阶梯处设置等效梁单元。通过阶梯转子的第一尺寸参数和实际弯曲刚度，确定所述第一有限元模型位于阶梯处的所述等效梁单元的第二尺寸参数的最优值，即确定了等效梁单元的最优尺寸，随后确定各普通梁单元，最终确定阶梯转子的第一有限元模型，之后将所述第一有限元模型用于阶梯转子的动力学分析。本公开实施例的方法能够有效提高阶梯转子动力学分析的精度。的精度。的精度。

【技术实现步骤摘要】
利用等效梁单元建模的阶梯转子动力学分析方法


[0001]本公开涉及有限元分析领域，尤其涉及利用等效梁单元建模的阶梯转子动力学分析方法、装置、电子设备及存储介质。

技术介绍

[0002]在对转子进行转子动力学分析时，通常将轴简化为梁单元进行建模。因为相对于实体单元，梁单元的计算速度快、效率更高，且计算误差在大多数的工程允许范围内。
[0003]然而与实际转子相比，梁单元不考虑转子的三维形状对弯曲刚度的影响。因此，使用梁单元表征横截面直径存在突变的阶梯转子时，会带来一定的误差，误差的大小与转子的材料性质(杨氏弹性模量、泊松比等)、尺寸以及转子阶梯处的连接方式等因素有关。
[0004]为了减小上述误差，现有技术使用等效梁单元计算横截面突变处的弯曲刚度，现有的等效梁单元模型是用一个45
°
锥形单元来计算阶梯处的弯曲刚度，然而这种方法缺乏理论和试验上的支持，其计算精度亦难以保证。
[0005]虽然多数情况下，基于梁单元构建的有限元模型，其误差在工程允许的范围内；但在对精度要求较高的应用或分析场景下，使用现有的基于梁单元或基于45
°
锥形单元的有限元模型进行分析，会有较大的局限性或不具有可行性。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本公开的示例性实施例提出了利用等效梁单元建模的阶梯转子动力学分析方法，用以提高阶梯转子的建模精度，继而提高基于所述等效梁单元构建的有限元模型，针对相应的阶梯转子进行转子动力学分析时的精度。
[0007]本公开一方面，提供了一种利用等效梁单元建模的阶梯转子动力学分析方法，包括：针对阶梯转子，获取各采样点处的弯矩与挠度；根据所述弯矩与挠度，确定所述阶梯转子于各采样点处对应的实际弯曲刚度；建立基于梁单元的所述阶梯转子的第一有限元模型，其中，根据所述阶梯转子于各阶梯处的阶梯类型，将所述第一有限元模型对应于所述阶梯处的梁单元设置为等效梁单元；利用所述阶梯转子的第一尺寸参数和所述实际弯曲刚度，确定所述第一有限元模型中所述等效梁单元的第二尺寸参数的最优值；确定所述第一有限元模型位于非阶梯处的普通梁单元；根据所述第一有限元模型各阶梯处和各非阶梯处对应的所述等效梁单元和所述普通梁单元，确定所述第一有限元模型的系统刚度矩阵；利用所述系统刚度矩阵，在所述第一有限元模型上对所述阶梯转子进行动力学分析。
[0008]在一种可能的实现方式中，针对阶梯转子，获取各采样点处的弯矩与挠度，包括：根据阶梯转子的第一尺寸参数和材料属性参数，得到以实体单元构建的所述阶梯转子的第二有限元模型，确定并获取所述第二有限元模型上各采样点对应的弯矩和挠度，所述第二有限元模型具有与所述阶梯转子相同的所述第一尺寸参数和所述材料属性参数。
[0009]在一种可能的实现方式中，利用所述阶梯转子的第一尺寸参数和所述实际弯曲刚度，确定所述第一有限元模型中所述等效梁单元的第二尺寸参数的最优值，包括：针对各所
述阶梯类型对应的所述等效梁单元，建立所述第一尺寸参数、所述第二尺寸参数和等效弯曲刚度之间的关联关系；建立所述实际弯曲刚度和所述等效弯曲刚度之间的约束条件；基于所述约束条件和所述关联关系，确定所述等效梁单元的所述第二尺寸参数的最优值。
[0010]在一种可能的实现方式中，所述约束条件反映所述实际弯曲刚度与等效弯曲刚度之间的误差。
[0011]在一种可能的实现方式中，所述阶梯类型，包括独立阶梯和圆盘阶梯；所述等效梁单元，包括锥形单元。
[0012]在一种可能的实现方式中，所述锥形单元的第二尺寸参数，包括所述锥形单元的长度与锥角；所述阶梯转子的第一尺寸参数，包括所述阶梯转子位于所述独立阶梯处两端的横截面直径，还包括所述圆盘阶梯处的轴径和圆盘厚度。
[0013]在一种可能的实现方式中，所述约束条件，包括最小化均方误差、积分条件与求和条件。
[0014]在一种可能的实现方式中，所述动力学分析，包括根据所述第一有限元模型的系统刚度矩阵求解阶梯转子的运动方程，得到所述第一有限元模型的转子特征，继而确定基于所述第一有限元模型的所述阶梯转子的不平衡响应；所述转子特征，包括临界转速和振型。
[0015]本公开另一方面，提供了一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为在执行所述存储器存储的指令时，实现上述任意一项所述的方法。
[0016]本公开另一方面，还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述任意一项所述的方法。
[0017]本公开另一方面，还提供了一种利用等效梁单元建模的阶梯转子动力学分析装置，包括：阶梯转子参数获取模块，用于针对阶梯转子，获取各采样点处的弯矩与挠度；实际弯曲刚度确定模块，用于根据所述弯矩与挠度，确定所述阶梯转子于各采样点处对应的实际弯曲刚度；等效梁单元设置模块，用于建立基于梁单元的所述阶梯转子的第一有限元模型，其中，根据所述阶梯转子于各阶梯处的阶梯类型，将所述第一有限元模型对应于所述阶梯处的梁单元设置为等效梁单元；等效梁单元确定模块，用于利用所述阶梯转子的第一尺寸参数和所述实际弯曲刚度，确定所述第一有限元模型中所述等效梁单元的第二尺寸参数的最优值；普通梁单元确定模块，用于确定所述第一有限元模型位于非阶梯处的普通梁单元；系统刚度矩阵确定模块，用于根据所述第一有限元模型各阶梯处和各非阶梯处对应的所述等效梁单元和所述普通梁单元，确定所述第一有限元模型的系统刚度矩阵；转子动力学分析模块，用于利用所述系统刚度矩阵，在所述第一有限元模型上对所述阶梯转子进行动力学分析。
[0018]本公开实施例通过在基于梁单元的第一有限元模型对应的阶梯处设置等效梁单元，并利用阶梯转子的第一尺寸参数和实际弯曲刚度确定所述等效梁单元的第二尺寸参数的最优值，即相当于得到尺寸更优的等效梁单元，所以可获得精度更高的包含等效梁单元的阶梯转子的所述第一有限元模型，进一步地，基于所述第一有限元模型的所述系统刚度矩阵，可以得到更高精度的阶梯转子的动力学分析结果。
[0019]参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开实施例的其它特征及方面将变得更
清楚。
附图说明
[0020]包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开实施例的原理。
[0021]图1，为本公开一实施例的利用等效梁单元建模的阶梯转子动力学分析方法的流程图。
[0022]图2，为本公开一实施例的阶梯转子的第二有限元模型的受力形变示意图。
[0023]图3，为本公开一实施例的阶梯转子实际弯曲刚度的示意图。
[0024]图4，为本公开一实施例的阶梯转子于独立阶梯的阶梯处的示意图。
[0025]图5，为本公开一实施例的阶梯转子于圆盘阶梯的阶梯处的示意图。
[0026]图6，为本公开一实施例的锥形单元的示意图。
[0027]图7，为本公开一实施例的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用等效梁单元建模的阶梯转子动力学分析方法，其特征在于，包括：针对阶梯转子，获取各采样点处的弯矩与挠度；根据所述弯矩与挠度，确定所述阶梯转子于各采样点处对应的实际弯曲刚度；建立基于梁单元的所述阶梯转子的第一有限元模型，其中，根据所述阶梯转子于各阶梯处的阶梯类型，将所述第一有限元模型对应于所述阶梯处的梁单元设置为等效梁单元；利用所述阶梯转子的第一尺寸参数和所述实际弯曲刚度，确定所述第一有限元模型中所述等效梁单元的第二尺寸参数的最优值；确定所述第一有限元模型位于非阶梯处的普通梁单元；根据所述第一有限元模型各阶梯处和各非阶梯处对应的所述等效梁单元和所述普通梁单元，确定所述第一有限元模型的系统刚度矩阵；利用所述系统刚度矩阵，在所述第一有限元模型上对所述阶梯转子进行动力学分析。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对阶梯转子，获取各采样点处的弯矩与挠度，包括：根据阶梯转子的第一尺寸参数和材料属性参数，得到以实体单元构建的所述阶梯转子的第二有限元模型，确定并获取所述第二有限元模型上各采样点对应的弯矩和挠度，所述第二有限元模型具有与所述阶梯转子相同的所述第一尺寸参数和所述材料属性参数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述阶梯转子的第一尺寸参数和所述实际弯曲刚度，确定所述第一有限元模型中所述等效梁单元的第二尺寸参数的最优值，包括：针对各所述阶梯类型对应的所述等效梁单元，建立所述第一尺寸参数、所述第二尺寸参数和等效弯曲刚度之间的关联关系；建立所述实际弯曲刚度和所述等效弯曲刚度之间的约束条件；基于所述约束条件和所述关联关系，确定所述等效梁单元的所述第二尺寸参数的最优值。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述约束条件反映所述实际弯曲刚度与等效弯曲刚度之间的误差。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阶梯类型，包括独立阶梯和圆盘阶梯；所述等效梁单元，包括锥形单元。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述锥形单元的第二尺寸参数，包括所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫锋，李东杰，张可，周明，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：