一種薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)振動故障特征確定方法
【專利摘要】一種薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)振動故障特征確定方法，屬于薄壁圓柱筒類結(jié)構(gòu)的振動分析【技術(shù)領(lǐng)域】。測量薄壁圓柱筒構(gòu)件的幾何參數(shù)，包括：中面直徑、筒的長度和壁厚；根據(jù)薄壁圓柱筒的材料確定彈性模量、泊松比和密度；確定薄壁圓柱筒在靜止或旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動響應(yīng)特征；根據(jù)實際圓柱筒所發(fā)生的裂紋或破損部位，判別出故障成因。本發(fā)明針對現(xiàn)有薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)的強迫振動響應(yīng)分析方法尚不完善，且大多分析都基于有限元軟件分析的客觀現(xiàn)狀，給出了一種系統(tǒng)的精確計算方法，完善了該領(lǐng)域的分析理論，可有效降低航空發(fā)動機鼓筒和機匣等這類薄壁圓柱筒構(gòu)件的故障發(fā)生率。
【專利說明】一種薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)振動故障特征確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于薄壁圓柱筒類結(jié)構(gòu)的振動分析【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)故障確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]航空發(fā)動機作為飛機的心臟，其性能的好壞直接影響飛機的整體性能，作為航空發(fā)動機關(guān)鍵部件中的鼓筒和機匣都屬于薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)，在其實際應(yīng)用過程中，鼓筒和機匣的振動破壞以及鼓筒和機匣的振動疲勞損傷故障，一直都是航空發(fā)動機所面臨的嚴重問題，且超過60%的鼓筒和機匣故障是由振動引起的。
[0003]關(guān)于薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)的強迫振動響應(yīng)一直沒有引起人們的足夠重視，近年來隨著對發(fā)動機性能要求不斷提高，鼓筒和機匣等這類薄壁圓柱筒構(gòu)件的故障發(fā)生率也不斷增大，才漸漸引起人們的重視。現(xiàn)階段，鼓筒和機匣這類薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)的強迫振動響應(yīng)分析大多是基于有限元軟件開展的，其分析結(jié)果受有限元建模方法和網(wǎng)格劃分等因素影響很大,缺乏理論性和系統(tǒng)性。
[0004]隨著對航空發(fā)動機性能越來越高的要求，且航空發(fā)動機的種類也越來越多,現(xiàn)有的薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)的強迫振動響應(yīng)分析方法尚不成熟，缺少系統(tǒng)性的計算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)故障特征確定方法，以達到降低航空發(fā)動機的鼓筒和機匣等這類薄壁圓柱筒構(gòu)件的故障發(fā)生率的目的。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:一種薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)故障特征確定方法，包括以下步驟:
[0007]步驟1:測量薄壁圓柱筒構(gòu)件的幾何參數(shù)，包括:中面直徑、筒的長度和壁厚；根據(jù)薄壁圓柱筒的材料確定彈性模量、泊松比和密度；
[0008]步驟2:根據(jù)步驟I的數(shù)據(jù)，確定薄壁圓柱筒在靜止或旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動響應(yīng)特征，具體如下:
[0009]步驟2.1:分別建立兩個坐標系:首先，建立一個全局坐標系，以筒的一端截面圓圓心作為坐標原點，筒的長度方向為橫坐標，筒的半徑方向為縱坐標；其次，建立一個局部坐標系，以筒中面上任意一點作為坐標原點，筒的長度方向為橫坐標，沿筒半徑方向為縱坐標；
[0010]步驟2.2:在圓柱筒上加一個力，來模擬圓柱筒構(gòu)件的實際受力情況，計算出圓柱筒上各點因受力振動而引起的振動位移，該位移即稱為振動響應(yīng)；根據(jù)圓柱筒上的各點位移變化規(guī)律確定圓柱筒構(gòu)件在受力情況下的振動規(guī)律，即為振動響應(yīng)特征，而在某一階固有頻率下對應(yīng)的振動響應(yīng)特征稱之為薄壁圓柱殼的振型；
[0011]所述的圓柱筒上各點因受力振動而引起的振動位移，確定過程包括步驟如下:[0012]步驟2.2.1:確定圓柱筒的支撐方式:圓柱筒結(jié)構(gòu)包括以下四種支撐方式:
[0013](I)第一種支撐方式為:自由一自由支撐方式；
[0014](2)第二種支撐方式為:簡支一簡支支撐方式；
[0015](3)第三種支撐方式為:固支一自由支撐方式；
[0016](4)第四種支撐方式為:固支一固支支撐方式；
[0017]步驟2.2.2:根據(jù)步驟2.2.1選定一種支撐方式，并建立全局坐標系和局部坐標系，在全局坐標系下建立薄壁圓柱筒構(gòu)件的振動方程，利用所述振動方程計算出圓柱筒構(gòu)件在該支撐方式下的各階固有頻率；
[0018]步驟2.2.3:根據(jù)步驟2.2.2得出的各階固有頻率，在局部坐標系下計算出圓柱筒上的各點位移，具體步驟如下:
[0019]步驟2.2.3.1:根據(jù)步驟2.2.1選定的支撐方式，計算出各點的各階振型比，各階振型比是計算位移的一個非常重要的中間量；
[0020]步驟2.2.3.2:根據(jù)步驟2.2.2得出的各階固有頻率，以及步驟2.2.3.1得出的各階振型比，確定圓柱筒的位移與固有頻率的關(guān)系式，以便于計算圓柱筒上各點的位移；
[0021]步驟2.2.3.3:在圓柱筒局部坐標系下，任意設(shè)定一點為受力點；
[0022]步驟2.2.3.4:根據(jù)步驟2.2.2得出的各階固有頻率、步驟2.2.3.1得出的各階振型比和步驟2.2.3.3所加的力，計算出圓柱筒上各點的振動位移；
[0023]步驟2.3:根據(jù)步驟2.2得出圓柱筒上各點的振動位移，確定圓柱筒的振動響應(yīng)特征，進而確定各階固有頻率下的振型薄壁圓柱筒的各階振型；
[0024]步驟3:根據(jù)實際圓柱筒所發(fā)生的裂紋或破損部位，與由步驟2計算出的振動響應(yīng)特征對照，從而判別出故障是由工作時的激勵力頻率與圓柱筒構(gòu)件某階固有頻率一致或接近所造成的，排除故障的方法通常有兩種:(I)重新設(shè)計圓柱筒構(gòu)件改變其固有頻率；(2)改變圓柱筒構(gòu)件的工作狀態(tài)，使其工作激勵力或工作轉(zhuǎn)速的頻率改變。
[0025]本發(fā)明的有益效果:針對現(xiàn)有薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)的強迫振動響應(yīng)分析方法尚不完善，且大多分析都基于有限元軟件分析的客觀現(xiàn)狀，給出了一種系統(tǒng)的精確計算方法，完善了該領(lǐng)域的分析理論，可有效降低航空發(fā)動機鼓筒和機匣等這類薄壁圓柱筒構(gòu)件的故障發(fā)生率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明一種實施方式一種薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)振動故障特征確定方法流程圖；
[0027]圖2為本發(fā)明一種實施方式受單點激勵作用的旋轉(zhuǎn)薄壁圓柱殼；
[0028]圖3為本發(fā)明一種實施方式自由一自由支撐方式示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明一種實施方式簡支一簡支支撐方式示意圖；
[0030]圖5為本發(fā)明一種實施方式固支一自由支撐方式示意圖；
[0031]圖6為本發(fā)明一種實施方式固支一固支支撐方式示意圖；
[0032]圖7為本發(fā)明一種實施方式固支一自由圓柱殼時域響應(yīng)圖，其中，圖7(a)為靜止薄壁圓柱筒受單點諧波激勵作用的時域響應(yīng)圖，圖7(b)為轉(zhuǎn)速為4000r/min的薄壁圓柱筒受單點諧波激勵作用的時域響應(yīng)圖；
[0033]圖8為本發(fā)明一種實施方式兩端簡支圓柱殼時域響應(yīng)圖，其中，圖8(a)為靜止薄壁圓柱筒受單點諧波激勵作用的時域響應(yīng)圖，圖8(b)為轉(zhuǎn)速為4000r/min的薄壁圓柱筒受單點諧波激勵作用的時域響應(yīng)圖；
[0034]圖9為本發(fā)明一種實施方式同一轉(zhuǎn)速不同阻尼時兩端簡支圓柱殼幅頻響應(yīng)曲線，其中，圖9(a)為靜止薄壁圓柱筒阻尼分別為ζ = 1.5%, ζ =1%, ζ =0.5%時諧波激勵下的幅頻響應(yīng)曲線，圖9(b)為轉(zhuǎn)速為4000r/min的薄壁圓柱筒阻尼分別為ζ = 1.5%,ζ = 1%, ζ = 0.5%時諧波激勵下的幅頻響應(yīng)曲線；
[0035]圖10為本發(fā)明一種實施方式單點諧波激勵下固支-自由旋轉(zhuǎn)殼體的響應(yīng)示意圖，其中圖10(a)為轉(zhuǎn)速為O時薄壁圓柱筒的響應(yīng)，圖10(b)為轉(zhuǎn)速為2000r/min的薄壁圓柱筒的響應(yīng)，圖10(c)為轉(zhuǎn)速為3000r/min的薄壁圓柱筒的響應(yīng)，圖10(d)為轉(zhuǎn)速為4000r/min的薄壁圓柱筒的響應(yīng)；
[0036]圖11為本發(fā)明一種實施方式單點諧波激勵下簡支-簡支旋轉(zhuǎn)殼體的響應(yīng)示意圖，其中圖11(a)為轉(zhuǎn)速為O時薄壁圓柱筒的響應(yīng)，圖11(b)為轉(zhuǎn)速為2000r/min的薄壁圓柱筒的響應(yīng)，圖11(c)為轉(zhuǎn)速為3000r/min的薄壁圓柱筒的響應(yīng)，圖11(d)為轉(zhuǎn)速為4000r/min的薄壁圓柱筒的響應(yīng)；
[0037]圖12為本發(fā)明一種實施方式薄壁圓柱殼的周向振動形式。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步詳細的說明。
[0039]本發(fā)明采用薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)故障確定方法對某航空發(fā)動機的鼓筒和機匣故障進行診斷或處理，其流程如圖1所示，包括以下步驟流程:
[0040]步驟1:測量航空發(fā)動機薄壁圓柱筒實驗件的幾何參數(shù)，包括:中面直徑、筒的長度和壁厚；根據(jù)薄壁圓柱筒的材料確定彈性模量、泊松比和密度等參數(shù)。本實施方式列出2種筒(El和E2)的基本參數(shù)如表1所示，本實施方式以第I種圓柱筒為例子，對筒的響應(yīng)特征分析方法進行說明:
[0041 ] 表1薄壁圓柱殼筒基本參數(shù)
[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種薄壁圓柱筒結(jié)構(gòu)故障特征確定方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟1:測量薄壁圓柱筒構(gòu)件的幾何參數(shù)，包括:中面直徑、筒的長度和壁厚；根據(jù)薄壁圓柱筒的材料確定彈性模量、泊松比和密度； 步驟2:根據(jù)步驟I的數(shù)據(jù)，確定薄壁圓柱筒在靜止或旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動響應(yīng)特征，具體如下: 步驟2.1:分別建立兩個坐標系:首先，建立一個全局坐標系，以筒的一端截面圓圓心作為坐標原點，筒的長度方向為橫坐標，筒的半徑方向為縱坐標；其次，建立一個局部坐標系，以筒中面上任意一點作為坐標原點，筒的長度方向為橫坐標，沿筒半徑方向為縱坐標；步驟2.2:在圓柱筒上加一個力，來模擬圓柱筒構(gòu)件的實際受力情況，計算出圓柱筒上各點因受力振動而引起的振動位移，該位移即稱為振動響應(yīng)；根據(jù)圓柱筒上的各點位移變化規(guī)律確定圓柱筒構(gòu)件在受力情況下的振動規(guī)律，即為振動響應(yīng)特征，而在某一階固有頻率下對應(yīng)的振動響應(yīng)特征稱之為薄壁圓柱殼的振型； 所述的圓柱筒上各點因受力振動而引起的振動位移，確定過程包括步驟如下: 步驟2.2.1:確定圓柱筒的支撐方式:圓柱筒結(jié)構(gòu)包括以下四種支撐方式: (1)第一種支撐方式為:自由一自由支撐方式； (2)第二種支撐方式為:簡支一簡支支撐方式； (3)第三種支撐方式為:固支一自由支撐方式； (4)第四種支撐方式為:固支一固支支撐方式； 步驟2.2.2:根據(jù)步驟2.2.1選定一種支撐方式，并建立全局坐標系和局部坐標系，在全局坐標系下建立薄壁圓柱筒構(gòu)件的振動方程，利用所述振動方程計算出圓柱筒構(gòu)件在該支撐方式下的各階固有頻率； 步驟2.2.3:根據(jù)步驟2.2.2得出的各階固有頻率，在局部坐標系下計算出圓柱筒上的各點位移，具體步驟如下: 步驟2.2.3.1:根據(jù)步驟2.2.1選定的支撐方式，計算出各點的各階振型比，各階振型比是計算位移的一個非常重要的中間量； 步驟2.2.3.2:根據(jù)步驟2.2.2得出的各階固有頻率，以及步驟2.2.3.1得出的各階振型比，確定圓柱筒的位移與固有頻率的關(guān)系式，以便于計算圓柱筒上各點的位移； 步驟2.2.3.3:在圓柱筒局部坐標系下，任意設(shè)定一點為受力點； 步驟2.2.3.4:根據(jù)步驟2.2.2得出的各階固有頻率、步驟2.2.3.1得出的各階振型比和步驟2.2.3.3所加的力，計算出圓柱筒上各點的振動位移； 步驟2.3:根據(jù)步驟2.2得出圓柱筒上各點的振動位移，確定圓柱筒的振動響應(yīng)特征，進而確定各階固有頻率下的振型薄壁圓柱筒的各階振型； 步驟3:根據(jù)實際圓柱筒所發(fā)生的裂紋或破損部位，與由步驟2計算出的振動響應(yīng)特征對照，從而判別出故障是由工作時的激勵力頻率與圓柱筒構(gòu)件某階固有頻率一致或接近所造成的，排除故障的方法通常有兩種:(I)重新設(shè)計圓柱筒構(gòu)件改變其固有頻率；(2)改變圓柱筒構(gòu)件的工作狀態(tài)，使其工作激勵力或工作轉(zhuǎn)速的頻率改變。
【文檔編號】G06F19/00GK103745091SQ201310719895
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】羅忠, 翟敬宇, 王宇, 孫偉, 李暉, 孫寧 申請人:東北大學