一种薄壁圆柱筒结构振动故障特征确定方法
【专利摘要】一种薄壁圆柱筒结构振动故障特征确定方法，属于薄壁圆柱筒类结构的振动分析【技术领域】。测量薄壁圆柱筒构件的几何参数，包括：中面直径、筒的长度和壁厚；根据薄壁圆柱筒的材料确定弹性模量、泊松比和密度；确定薄壁圆柱筒在静止或旋转状态下的振动响应特征；根据实际圆柱筒所发生的裂纹或破损部位，判别出故障成因。本发明针对现有薄壁圆柱筒结构的强迫振动响应分析方法尚不完善，且大多分析都基于有限元软件分析的客观现状，给出了一种系统的精确计算方法，完善了该领域的分析理论，可有效降低航空发动机鼓筒和机匣等这类薄壁圆柱筒构件的故障发生率。
【专利说明】一种薄壁圆柱筒结构振动故障特征确定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于薄壁圆柱筒类结构的振动分析【技术领域】，特别涉及一种薄壁圆柱筒结构故障确定方法。
【背景技术】
[0002]航空发动机作为飞机的心脏，其性能的好坏直接影响飞机的整体性能，作为航空发动机关键部件中的鼓筒和机匣都属于薄壁圆柱筒结构，在其实际应用过程中，鼓筒和机匣的振动破坏以及鼓筒和机匣的振动疲劳损伤故障，一直都是航空发动机所面临的严重问题，且超过60%的鼓筒和机匣故障是由振动引起的。
[0003]关于薄壁圆柱筒结构的强迫振动响应一直没有引起人们的足够重视，近年来随着对发动机性能要求不断提高，鼓筒和机匣等这类薄壁圆柱筒构件的故障发生率也不断增大，才渐渐引起人们的重视。现阶段，鼓筒和机匣这类薄壁圆柱筒结构的强迫振动响应分析大多是基于有限元软件开展的，其分析结果受有限元建模方法和网格划分等因素影响很大,缺乏理论性和系统性。
[0004]随着对航空发动机性能越来越高的要求，且航空发动机的种类也越来越多,现有的薄壁圆柱筒结构的强迫振动响应分析方法尚不成熟，缺少系统性的计算方法。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种薄壁圆柱筒结构故障特征确定方法，以达到降低航空发动机的鼓筒和机匣等这类薄壁圆柱筒构件的故障发生率的目的。
[0006]本发明的技术方案是这样实现的:一种薄壁圆柱筒结构故障特征确定方法，包括以下步骤:
[0007]步骤1:测量薄壁圆柱筒构件的几何参数，包括:中面直径、筒的长度和壁厚；根据薄壁圆柱筒的材料确定弹性模量、泊松比和密度；
[0008]步骤2:根据步骤I的数据，确定薄壁圆柱筒在静止或旋转状态下的振动响应特征，具体如下:
[0009]步骤2.1:分别建立两个坐标系:首先，建立一个全局坐标系，以筒的一端截面圆圆心作为坐标原点，筒的长度方向为横坐标，筒的半径方向为纵坐标；其次，建立一个局部坐标系，以筒中面上任意一点作为坐标原点，筒的长度方向为横坐标，沿筒半径方向为纵坐标；
[0010]步骤2.2:在圆柱筒上加一个力，来模拟圆柱筒构件的实际受力情况，计算出圆柱筒上各点因受力振动而引起的振动位移，该位移即称为振动响应；根据圆柱筒上的各点位移变化规律确定圆柱筒构件在受力情况下的振动规律，即为振动响应特征，而在某一阶固有频率下对应的振动响应特征称之为薄壁圆柱壳的振型；
[0011]所述的圆柱筒上各点因受力振动而引起的振动位移，确定过程包括步骤如下:[0012]步骤2.2.1:确定圆柱筒的支撑方式:圆柱筒结构包括以下四种支撑方式:
[0013](I)第一种支撑方式为:自由一自由支撑方式；
[0014](2)第二种支撑方式为:简支一简支支撑方式；
[0015](3)第三种支撑方式为:固支一自由支撑方式；
[0016](4)第四种支撑方式为:固支一固支支撑方式；
[0017]步骤2.2.2:根据步骤2.2.1选定一种支撑方式，并建立全局坐标系和局部坐标系，在全局坐标系下建立薄壁圆柱筒构件的振动方程，利用所述振动方程计算出圆柱筒构件在该支撑方式下的各阶固有频率；
[0018]步骤2.2.3:根据步骤2.2.2得出的各阶固有频率，在局部坐标系下计算出圆柱筒上的各点位移，具体步骤如下:
[0019]步骤2.2.3.1:根据步骤2.2.1选定的支撑方式，计算出各点的各阶振型比，各阶振型比是计算位移的一个非常重要的中间量；
[0020]步骤2.2.3.2:根据步骤2.2.2得出的各阶固有频率，以及步骤2.2.3.1得出的各阶振型比，确定圆柱筒的位移与固有频率的关系式，以便于计算圆柱筒上各点的位移；
[0021]步骤2.2.3.3:在圆柱筒局部坐标系下，任意设定一点为受力点；
[0022]步骤2.2.3.4:根据步骤2.2.2得出的各阶固有频率、步骤2.2.3.1得出的各阶振型比和步骤2.2.3.3所加的力，计算出圆柱筒上各点的振动位移；
[0023]步骤2.3:根据步骤2.2得出圆柱筒上各点的振动位移，确定圆柱筒的振动响应特征，进而确定各阶固有频率下的振型薄壁圆柱筒的各阶振型；
[0024]步骤3:根据实际圆柱筒所发生的裂纹或破损部位，与由步骤2计算出的振动响应特征对照，从而判别出故障是由工作时的激励力频率与圆柱筒构件某阶固有频率一致或接近所造成的，排除故障的方法通常有两种:(I)重新设计圆柱筒构件改变其固有频率；(2)改变圆柱筒构件的工作状态，使其工作激励力或工作转速的频率改变。
[0025]本发明的有益效果:针对现有薄壁圆柱筒结构的强迫振动响应分析方法尚不完善，且大多分析都基于有限元软件分析的客观现状，给出了一种系统的精确计算方法，完善了该领域的分析理论，可有效降低航空发动机鼓筒和机匣等这类薄壁圆柱筒构件的故障发生率。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明一种实施方式一种薄壁圆柱筒结构振动故障特征确定方法流程图；
[0027]图2为本发明一种实施方式受单点激励作用的旋转薄壁圆柱壳；
[0028]图3为本发明一种实施方式自由一自由支撑方式示意图；
[0029]图4为本发明一种实施方式简支一简支支撑方式示意图；
[0030]图5为本发明一种实施方式固支一自由支撑方式示意图；
[0031]图6为本发明一种实施方式固支一固支支撑方式示意图；
[0032]图7为本发明一种实施方式固支一自由圆柱壳时域响应图，其中，图7(a)为静止薄壁圆柱筒受单点谐波激励作用的时域响应图，图7(b)为转速为4000r/min的薄壁圆柱筒受单点谐波激励作用的时域响应图；
[0033]图8为本发明一种实施方式两端简支圆柱壳时域响应图，其中，图8(a)为静止薄壁圆柱筒受单点谐波激励作用的时域响应图，图8(b)为转速为4000r/min的薄壁圆柱筒受单点谐波激励作用的时域响应图；
[0034]图9为本发明一种实施方式同一转速不同阻尼时两端简支圆柱壳幅频响应曲线，其中，图9(a)为静止薄壁圆柱筒阻尼分别为ζ = 1.5%, ζ =1%, ζ =0.5%时谐波激励下的幅频响应曲线，图9(b)为转速为4000r/min的薄壁圆柱筒阻尼分别为ζ = 1.5%,ζ = 1%, ζ = 0.5%时谐波激励下的幅频响应曲线；
[0035]图10为本发明一种实施方式单点谐波激励下固支-自由旋转壳体的响应示意图，其中图10(a)为转速为O时薄壁圆柱筒的响应，图10(b)为转速为2000r/min的薄壁圆柱筒的响应，图10(c)为转速为3000r/min的薄壁圆柱筒的响应，图10(d)为转速为4000r/min的薄壁圆柱筒的响应；
[0036]图11为本发明一种实施方式单点谐波激励下简支-简支旋转壳体的响应示意图，其中图11(a)为转速为O时薄壁圆柱筒的响应，图11(b)为转速为2000r/min的薄壁圆柱筒的响应，图11(c)为转速为3000r/min的薄壁圆柱筒的响应，图11(d)为转速为4000r/min的薄壁圆柱筒的响应；
[0037]图12为本发明一种实施方式薄壁圆柱壳的周向振动形式。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。
[0039]本发明采用薄壁圆柱筒结构故障确定方法对某航空发动机的鼓筒和机匣故障进行诊断或处理，其流程如图1所示，包括以下步骤流程:
[0040]步骤1:测量航空发动机薄壁圆柱筒实验件的几何参数，包括:中面直径、筒的长度和壁厚；根据薄壁圆柱筒的材料确定弹性模量、泊松比和密度等参数。本实施方式列出2种筒(El和E2)的基本参数如表1所示，本实施方式以第I种圆柱筒为例子，对筒的响应特征分析方法进行说明:
[0041 ] 表1薄壁圆柱壳筒基本参数
[0042]
【权利要求】
1.一种薄壁圆柱筒结构故障特征确定方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤1:测量薄壁圆柱筒构件的几何参数，包括:中面直径、筒的长度和壁厚；根据薄壁圆柱筒的材料确定弹性模量、泊松比和密度； 步骤2:根据步骤I的数据，确定薄壁圆柱筒在静止或旋转状态下的振动响应特征，具体如下: 步骤2.1:分别建立两个坐标系:首先，建立一个全局坐标系，以筒的一端截面圆圆心作为坐标原点，筒的长度方向为横坐标，筒的半径方向为纵坐标；其次，建立一个局部坐标系，以筒中面上任意一点作为坐标原点，筒的长度方向为横坐标，沿筒半径方向为纵坐标；步骤2.2:在圆柱筒上加一个力，来模拟圆柱筒构件的实际受力情况，计算出圆柱筒上各点因受力振动而引起的振动位移，该位移即称为振动响应；根据圆柱筒上的各点位移变化规律确定圆柱筒构件在受力情况下的振动规律，即为振动响应特征，而在某一阶固有频率下对应的振动响应特征称之为薄壁圆柱壳的振型； 所述的圆柱筒上各点因受力振动而引起的振动位移，确定过程包括步骤如下: 步骤2.2.1:确定圆柱筒的支撑方式:圆柱筒结构包括以下四种支撑方式: (1)第一种支撑方式为:自由一自由支撑方式； (2)第二种支撑方式为:简支一简支支撑方式； (3)第三种支撑方式为:固支一自由支撑方式； (4)第四种支撑方式为:固支一固支支撑方式； 步骤2.2.2:根据步骤2.2.1选定一种支撑方式，并建立全局坐标系和局部坐标系，在全局坐标系下建立薄壁圆柱筒构件的振动方程，利用所述振动方程计算出圆柱筒构件在该支撑方式下的各阶固有频率； 步骤2.2.3:根据步骤2.2.2得出的各阶固有频率，在局部坐标系下计算出圆柱筒上的各点位移，具体步骤如下: 步骤2.2.3.1:根据步骤2.2.1选定的支撑方式，计算出各点的各阶振型比，各阶振型比是计算位移的一个非常重要的中间量； 步骤2.2.3.2:根据步骤2.2.2得出的各阶固有频率，以及步骤2.2.3.1得出的各阶振型比，确定圆柱筒的位移与固有频率的关系式，以便于计算圆柱筒上各点的位移； 步骤2.2.3.3:在圆柱筒局部坐标系下，任意设定一点为受力点； 步骤2.2.3.4:根据步骤2.2.2得出的各阶固有频率、步骤2.2.3.1得出的各阶振型比和步骤2.2.3.3所加的力，计算出圆柱筒上各点的振动位移； 步骤2.3:根据步骤2.2得出圆柱筒上各点的振动位移，确定圆柱筒的振动响应特征，进而确定各阶固有频率下的振型薄壁圆柱筒的各阶振型； 步骤3:根据实际圆柱筒所发生的裂纹或破损部位，与由步骤2计算出的振动响应特征对照，从而判别出故障是由工作时的激励力频率与圆柱筒构件某阶固有频率一致或接近所造成的，排除故障的方法通常有两种:(I)重新设计圆柱筒构件改变其固有频率；(2)改变圆柱筒构件的工作状态，使其工作激励力或工作转速的频率改变。
【文档编号】G06F19/00GK103745091SQ201310719895
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】罗忠, 翟敬宇, 王宇, 孙伟, 李晖, 孙宁 申请人:东北大学