一种面向叶盘高保真动力学建模的界面减缩方法技术

本发明专利技术涉及有限元动力学响应分析技术领域，具体公开了一种面向叶盘高保真动力学建模的界面减缩方法，包括以下步骤：步骤一、将叶盘模型划分为叶片及轮盘两类子结构模型，并得到对应的质量、刚度矩阵；步骤二、通过对叶片及轮盘交界面选取节点，生成转换矩阵，对叶片和轮盘分别进行一次减缩得到一次减缩模型；步骤三、对一次减缩模型使用子结构法进行二次减缩，得到响应分析计算使用的二次减缩模型。该方法对传统子结构法进行改进，以解决传统子结构法因保留界面全自由度，导致计算效率与完整模型计算效率相比提升并不足的技术问题。模型计算效率相比提升并不足的技术问题。模型计算效率相比提升并不足的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种面向叶盘高保真动力学建模的界面减缩方法


[0001]本专利技术涉及一种面向叶盘高保真动力学建模的界面减缩方法，属于叶盘有限元动力学响应分析


技术介绍

[0002]随着航空发动机结构性能提升的需求日益迫切，对其中的叶盘结构提出了更高的要求。叶盘结构由各自成型工艺逐步向一体化成型工艺发展。工艺的发展在带来如减少结构零件数，大幅度减轻结构质量，提升结构气动性能等优势的同时，其间产生的问题也不容忽视。尤其是一体化成型的叶片间会存在一定的几何偏差，称之为失谐现象。失谐会导致结构性能和寿命的严重下降，因此为了计算获取失谐叶盘的振动特性需要对大量的随机失谐样本进行分析。
[0003]对于大规模的叶盘结构，一般直接通过商用有限元软件完成动力特性分析及振动响应计算，这将会耗费大量的计算成本。尤其是针对多个失谐叶盘样品进行动力特性分析时，计算成本成倍增加。此时通常采用子结构法将模型划分为几个子结构来降低计算规模，增加计算效率。然而，叶片和轮盘之间的界面往往较为复杂，划分的网格数量较多，此时采用传统的子结构法将保留界面全自由度，导致计算效率与完整模型计算效率相比提升并不明显。因此，如何提高传统子结构法的计算效率成为亟待解决的工程问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术意在提供一种面向叶盘高保真动力学建模的界面减缩方法，对传统子结构法进行改进，以解决传统子结构法因保留界面全自由度，导致计算效率与完整模型计算效率相比提升并不足的技术问题。
[0005]为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]一种面向叶盘高保真动力学建模的界面减缩方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一、将叶盘模型划分为叶片及轮盘两类子结构模型，并得到对应的质量、刚度矩阵；
[0008]步骤二、通过对叶片及轮盘交界面选取节点，生成转换矩阵，对叶片和轮盘分别进行一次减缩得到一次减缩模型；
[0009]步骤三、对一次减缩模型使用子结构法进行二次减缩，得到响应分析计算使用的二次减缩模型。
[0010]进一步的，步骤二中的界面选点策略包括，基于均匀选取的前提下，在叶片及轮盘的交界面按照总界面节点数50％的比例选点，得到界面减缩节点集。
[0011]进一步的，步骤二中按照以下三种策略中的一种选取界面节点：
[0012](1)横、纵向均进行的间隔均匀选点策略，即先横向间隔地选取界面节点，再对这部分节点进行纵向的间隔选取；
[0013](2)纵向的间隔均匀选点策略，即对界面节点进行纵向的间隔选取；
[0014](3)横、纵向的错开的间隔均匀选点策略，即先对界面节点各行分别进行纵向错开的间隔选点。
[0015]进一步，步骤二中，分别按照所述的三种策略进行选点，得到不同三种不同的界面减缩节点集，并分别得到相应的一次缩减模型；
[0016]在步骤三中，分别对三种不同的一次缩减模型进行二次缩减，得到三种不同的二次缩减模型；
[0017]还包括，利用三种不同的二次缩减模型进行模态分析，并取固有频率相对误差最小的一种用于响应分析计算。
[0018]进一步的，利用至少包含一个叶片子结构及其所在的部分轮盘子机构的局部轮盘模型得到三种不同的局部二次缩减模型进行模态分析，并取固有频率相对误差最小的一种二次缩减模型所对应的界面减缩策略，作为完成模型的界面选点策略。
[0019]进一步的，步骤一中包括：
[0020]设子结构所受界面力为F
Γ
，建立叶片及轮盘子结构各自的自由振动方程如下：
[0021][0022]其中，X为坐标矩阵，M为质量矩阵，K为刚度矩阵，上标b、d分别表示叶片及轮盘子结构,为叶片界面力及轮盘界面力。
[0023]进一步的，步骤二中的一次缩减包括，根据子结构自由度生成对应规模的单位阵，并根据界面节点选取结果将其转化为减缩用的转换矩阵，对某一自由度进行缩减时，按照对应自由度的行重新定义，对应自由度列删除的方式生成叶片子结构和轮盘子结构的转换矩阵矩阵进而得到整体结构的一次减缩矩阵为
[0024][0025]根据如下的坐标转换关系：
[0026][0027]将代入各子结构的自由振动方程中进行一次缩聚，得到如下的一次缩减模型：
[0028][0029]其中，
[0030][0031][0032]进一步的，步骤三所述的子结构法中，以轮盘作为主子结构，其界面处理选择自由界面法；各叶片作为从子结构，界面处理选择固定界面法，进而得到二次减缩模型。
[0033]进一步的，所述二次减缩包括如下步骤：
[0034]①
对于叶片子结构，求解特征方程
[0035][0036]得到叶片子结构主模态矩阵Φ
b
，
[0037][0038]其中，n为保留主模态阶数；
[0039]并按如下方式约束模态矩阵Ψ
b
：
[0040][0041]而后得到二次减缩矩阵
[0042][0043]进而得到二次减缩以后的叶片子结构的质量矩阵、刚度矩阵
[0044][0045]②
对于轮盘子结构，建立减缩前后的坐标转换关系如下：
[0046][0047]其中，为轮盘子结构一次减缩坐标；为二次减缩坐标；为轮盘子结构保留前n阶主模态；Ψ
m
为剩余m阶高阶模态集；
[0048]忽略惯性力的影响，将自由振动方程简化为静力方程，并将轮盘子结构的坐标转换关系代入得，
[0049][0050]其中，
[0051][0052]剩余柔度矩阵由式求得
[0053][0054]经推导得到轮盘的二次减缩矩阵为
[0055][0056]式中，D为轮盘内部自由度，Γ为界面自由度，n为轮盘经特征方程计算后保留的前n阶模态，I为单位方阵；
[0057]进而得到轮盘子结构的二次减缩质量矩阵、刚度矩阵为
[0058][0059]③
将二次减缩后的子结构进行装配，得到系统的二次减缩矩阵为
[0060][0061]根据界面位移协调条件，得到综合后的叶盘减缩模型的质量矩阵和刚度矩阵分别为
[0062][0063]其中，I为单位方阵。
[0064]与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益技术效果：
[0065]本专利技术提出一种面向叶盘高保真动力学建模的界面减缩方法，通过对划分好的子结构分别针对界面选点，生成转换矩阵，完成一次减缩；再利用子结构法进行减缩模型的二次缩聚，建立整体叶盘的减缩模型。该方法可以在保证有限元计算精度的同时，使得计算效率相比于完整有限元模型大幅度提升，具有实际工程意义。
附图说明
[0066]图1为本专利技术例中的面向叶盘高保真动力学建模的界面减缩方法的实施流程示意图；
[0067]图2为本专利技术实施例中的叶盘及扇区计算模型的示意图；
[0068]图3为本专利技术实施例中不同的减缩界面选点结果示意图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向叶盘高保真动力学建模的界面减缩方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将叶盘模型划分为叶片及轮盘两类子结构模型，并得到对应的质量、刚度矩阵；步骤二、通过对叶片及轮盘交界面选取节点，生成转换矩阵，对叶片和轮盘分别进行一次减缩得到一次减缩模型；步骤三、对一次减缩模型使用子结构法进行二次减缩，得到响应分析计算使用的二次减缩模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中的界面选点策略包括，基于均匀选取的前提下，在叶片及轮盘的交界面按照总界面节点数50％的比例选点，得到界面减缩节点集。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二中按照以下三种策略中的一种选取界面节点：(1)横、纵向均进行的间隔均匀选点策略，即先横向间隔地选取界面节点，再对这部分节点进行纵向的间隔选取；(2)纵向的间隔均匀选点策略，即对界面节点进行纵向的间隔选取；(3)横、纵向的错开的间隔均匀选点策略，即先对界面节点各行分别进行纵向错开的间隔选点。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤二中，分别按照所述的三种策略进行选点，得到不同三种不同的界面减缩节点集，并分别得到相应的一次缩减模型；在步骤三中，分别对三种不同的一次缩减模型进行二次缩减，得到三种不同的二次缩减模型；还包括，利用三种不同的二次缩减模型进行模态分析，并取固有频率相对误差最小的一种用于响应分析计算。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用至少包含一个叶片子结构及其所在的部分轮盘子机构的局部轮盘模型得到三种不同的局部二次缩减模型进行模态分析，并取固有频率相对误差最小的一种二次缩减模型所对应的界面减缩策略，作为完成模型的界面选点策略。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中包括：设子结构所受界面力为F
Γ
，建立叶片及轮盘子结构各自的自由振动方程如下：其中，X为坐标矩阵，M为质量矩阵，K为刚度矩阵，上标b、d分别表示叶片及轮盘子结构,为叶片...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚建尧，贾子初，曹芝腑，梁道森，周向鑫，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：