故障转子动力学仿真方法、系统、电子设备及存储介质技术方案

本发明专利技术属于转子动力学相关技术领域，其公开了一种故障转子动力学仿真方法、系统、电子设备及存储介质，其中方法包括：建立转子系统的有限元模型；建立裂纹模型，根据裂纹模型以及裂纹单元的物理参数，获取裂纹单元的刚度矩阵；建立轴承的松动刚度模型以及松动阻尼模型，获取松动轴承的刚度和阻尼；根据裂纹单元的刚度矩阵、松动轴承的刚度和阻尼，重新组集获取转子系统的系统刚度矩阵和系统阻尼矩阵；根据系统刚度矩阵和系统阻尼矩阵，获取转子系统的动力学响应特性。本发明专利技术采用有限元数值仿真方法，综合考虑裂纹和轴承座松动耦合故障的情形，提出了转子系统在耦合故障下的仿真分析方法，在耦合故障情形下也具有较高的计算精度，实用性更强。实用性更强。实用性更强。

【技术实现步骤摘要】
故障转子动力学仿真方法、系统、电子设备及存储介质


[0001]本专利技术属于转子动力学相关
，更具体地，涉及一种故障转子动力学仿真方法、系统、电子设备及存储介质。

技术介绍

[0002]旋转机械在现代工业社会中占据着重要的地位，广泛应用于交通、能源、矿冶及制造等行业，典型的旋转机械有发电机、汽轮机、离心压缩机和航空发动机等。旋转机械的核心部件是转子系统，受自身重力的影响，在高速旋转时转子系统承受较大的横向弯曲疲劳应力，易产生横向裂纹。转子系统在旋转时也容易造成轴承座松动。转子裂纹和轴承座松动是旋转机械设备常见的故障，转子系统故障时有发生，如果得不到及时监测将严重威胁系统的运行安全。因此，开展转子系统故障情形下动力学特性的研究显得尤为重要。
[0003]在专利技术专利CN115270577A中公开了一种转子裂纹的仿真方法，该方法针对裂纹位于圆盘负载与转子轴交界的轴段上这一工况，在仿真生成的信号中掺杂入噪音，再对掺入噪音的信号进行CYCBD降噪和Teager能量包络谱分析，实现对裂纹的故障诊断。该现有转子系统的仿真方法加入了故障诊断的内容，但现有转子系统仿真方法存在研究的故障类型单一，未考虑可能同时存在的轴承座松动故障，导致如果系统同时存在裂纹和松动耦合故障，识别精度可能会降低。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种故障转子动力学仿真方法、系统、电子设备及存储介质，解决了现有转子系统仿真方法存在研究的故障类型单一，未考虑可能同时存在的轴承座松动故障，导致如果系统同时存在裂纹和松动耦合故障，识别精度可能会降低的问题，可实现转子系统裂纹松动耦合故障下的动力学响应特性仿真分析。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种故障转子动力学仿真方法，其特征在于，包括：
[0006]将转子系统的三维模型划分为多个轴段单元，建立所述转子系统的有限元模型；
[0007]建立裂纹模型，根据所述裂纹模型以及裂纹单元的物理参数，获取所述裂纹单元的刚度矩阵，其中所述裂纹单元为具有裂纹故障的所述轴段单元；
[0008]建立轴承的松动刚度模型以及松动阻尼模型，根据所述松动刚度模型、所述松动阻尼模型以及具有松动故障的松动轴承的位移量获取所述松动轴承的刚度和阻尼；
[0009]根据所述裂纹单元的刚度矩阵、所述松动轴承的刚度和阻尼，重新组集获取所述转子系统的系统刚度矩阵和系统阻尼矩阵；
[0010]根据所述系统刚度矩阵和所述系统阻尼矩阵，获取所述转子系统的动力学响应特性。
[0011]根据本专利技术提供的故障转子动力学仿真方法，建立裂纹模型，根据所述裂纹模型
以及裂纹单元的物理参数，获取所述裂纹单元的刚度矩阵，具体包括：
[0012]建立所述转子系统的坐标系，其中，所述转子系统的轴向沿X轴设置；
[0013]根据所述裂纹单元的内径、外径、裂纹深度、裂纹角，获取所述转子系统旋转过程中，所述裂纹单元的力学参数，所述力学参数包括所述裂纹单元的开裂部分对Y轴的惯性矩、对Z轴的惯性矩、偏心距以及所述裂纹单元截面上未开裂部分的面积；
[0014]根据所述力学参数以及所述裂纹单元的物理参数，获取裂纹产生的附加刚度矩阵；
[0015]根据所述裂纹模型以及所述附加刚度矩阵，获取旋转坐标系下所述裂纹单元的刚度矩阵。
[0016]根据本专利技术提供的故障转子动力学仿真方法，建立裂纹模型，根据所述裂纹模型以及裂纹单元的物理参数，获取所述裂纹单元的刚度矩阵，还包括：
[0017]根据旋转坐标系下所述裂纹单元的刚度矩阵，获取静态坐标系下所述裂纹单元的刚度矩阵；
[0018]静态坐标系下所述裂纹单元的刚度矩阵为：
[0019]k
st
＝T
T
k
ce
T；
[0020][0021][0022]其中，k
st
为静态坐标系下所述裂纹单元的刚度矩阵；k
ce
为旋转坐标系下所述裂纹单元的刚度矩阵；T为由旋转坐标系到静态坐标系的单元转换矩阵；T
e
为由旋转坐标系到静态坐标系的节点转换矩阵；Ω为所述裂纹单元的旋转角速度，t为旋转时间。
[0023]根据本专利技术提供的故障转子动力学仿真方法，所述裂纹模型为：
[0024][0025]其中，Ω为所述裂纹单元的旋转角速度；t为旋转时间；α＝cos
‑1(1
‑
d/r2)，d为裂纹深度，r2为所述裂纹单元的外半径；j为旋转圈数，为0、1、2
……
。
[0026]根据本专利技术提供的故障转子动力学仿真方法，所述松动刚度模型为：
[0027][0028]其中，k
ac
为所述松动轴承的刚度；k
b1
、k
b2
和k
b3
为设定值；σ为所述松动轴承的最大松动间隙；y为所述松动轴承在竖直方向上的位移量；
[0029]所述松动阻尼模型分别为：
[0030][0031]其中，c
ac
为所述松动轴承的阻尼；c
b1
、c
b2
、c
b3
为设定值。
[0032]根据本专利技术提供的故障转子动力学仿真方法，根据所述裂纹单元的刚度矩阵、所述松动轴承的刚度和阻尼，重新组集获取所述转子系统的系统刚度矩阵和系统阻尼矩阵，具体包括：
[0033]所述转子系统包括套设连接的内轴和外轴，所述转子系统的轴承包括中介轴承，设定所述中介轴承在所述内轴、所述外轴上的编号分别为m、n，所述中介轴承在水平方向的刚度k
bz
和竖直方向的刚度k
by
大小为k
bz
＝k
by
＝k
b
，水平方向的阻尼c
bz
和竖直方向的阻尼c
by
大小为c
bz
＝c
by
＝c
b
，则所述中介轴承的刚度矩阵K
ib
和阻尼矩阵C
ib
分别为：
[0034][0035][0036]根据本专利技术提供的故障转子动力学仿真方法，根据所述系统刚度矩阵和所述系统阻尼矩阵，获取所述转子系统的动力学响应特性，具体包括：
[0037]通过以下公式计算获取所述转子系统的位移、速度和加速度：
[0038][0039][0040][0041][RC]st
＝α[M]st
+β[K]st
；
[0042][0043][0044][0045]其中，[M]st
、[K]st
和[G]st
分别为所述转子系统的质量矩阵、刚度矩阵和陀螺矩阵，分别由对应的所述轴段单元矩阵组集而来；M1为所述内轴的质量矩阵；M2为所述外轴的质量矩阵；K1为所述内轴的刚度矩阵；K2为所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种故障转子动力学仿真方法，其特征在于，包括：将转子系统的三维模型划分为多个轴段单元，建立所述转子系统的有限元模型；建立裂纹模型，根据所述裂纹模型以及裂纹单元的物理参数，获取所述裂纹单元的刚度矩阵，其中所述裂纹单元为具有裂纹故障的所述轴段单元；建立轴承的松动刚度模型以及松动阻尼模型，根据所述松动刚度模型、所述松动阻尼模型以及具有松动故障的松动轴承的位移量获取所述松动轴承的刚度和阻尼；根据所述裂纹单元的刚度矩阵、所述松动轴承的刚度和阻尼，重新组集获取所述转子系统的系统刚度矩阵和系统阻尼矩阵；根据所述系统刚度矩阵和所述系统阻尼矩阵，获取所述转子系统的动力学响应特性。2.如权利要求1所述的故障转子动力学仿真方法，其特征在于，建立裂纹模型，根据所述裂纹模型以及裂纹单元的物理参数，获取所述裂纹单元的刚度矩阵，具体包括：建立所述转子系统的坐标系，其中，所述转子系统的轴向沿X轴设置；根据所述裂纹单元的内径、外径、裂纹深度、裂纹角，获取所述转子系统旋转过程中，所述裂纹单元的力学参数，所述力学参数包括所述裂纹单元的开裂部分对Y轴的惯性矩、对Z轴的惯性矩、偏心距以及所述裂纹单元截面上未开裂部分的面积；根据所述力学参数以及所述裂纹单元的物理参数，获取裂纹产生的附加刚度矩阵；根据所述裂纹模型以及所述附加刚度矩阵，获取旋转坐标系下所述裂纹单元的刚度矩阵。3.如权利要求2所述的故障转子动力学仿真方法，其特征在于，建立裂纹模型，根据所述裂纹模型以及裂纹单元的物理参数，获取所述裂纹单元的刚度矩阵，还包括：根据旋转坐标系下所述裂纹单元的刚度矩阵，获取静态坐标系下所述裂纹单元的刚度矩阵；静态坐标系下所述裂纹单元的刚度矩阵为：k
st
＝T
T
k
ce
T；T；其中，k
st
为静态坐标系下所述裂纹单元的刚度矩阵；k
ce
为旋转坐标系下所述裂纹单元的刚度矩阵；T为由旋转坐标系到静态坐标系的单元转换矩阵；T
e
为由旋转坐标系到静态坐标系的节点转换矩阵；Ω为所述裂纹单元的旋转角速度，t为旋转时间。4.如权利要求1
‑
3中任一项所述的故障转子动力学仿真方法，其特征在于，所述裂纹模型为：
其中，Ω为所述裂纹单元的旋转角速度；t为旋转时间；α＝cos
‑1(1
‑
d/r2)，d为裂纹深度，r2为所述裂纹单元的外半径；j为旋转圈数，为0、1、2
……
。5.如权利要求1
‑
3中任一项所述的故障转子动力学仿真方法，其特征在于，所述松动刚度模型为：其中，k
ac
为所述松动轴承的刚度；k
b1
、k
b2
和k
b3
为设定值；σ为所述松动轴承的最大松动间隙；y为所述松动轴承在竖直方向上的位移量；所述松动阻尼模型分别为：其中，c
ac
为所述松动轴承的阻尼；c
b1
、c
b2
、c
b3
为设定值。6.如权利要求1
‑
3中任一项所述的故障转子动力学仿真方法，其特征在于，根据所述裂纹单元的刚度矩阵、所述松动轴承的刚度和阻尼，重新组集获取所述转子系统的系统刚度矩阵和系统阻尼矩阵，具体包括：所述转子系统包括套设连接的内轴和外轴，所述转子系统的轴承包括中介轴承，设定所述中介...

【专利技术属性】
技术研发人员：史铁林，孙智博，段暕，胡铖，姜顺，张志松，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：