【摘要】：旋轉機械近年來朝著高速、高自動集成以及適應復雜環(huán)境的社會生產(chǎn)需求發(fā)展,人們對于其安全性問題提出更高要求。轉子在高溫、高壓及交變載荷作用下極易萌生裂紋,如果裂紋不被及時發(fā)現(xiàn)與控制就會進一步擴展,造成災難性破壞。裂紋是引起轉子故障的一大隱患,對其深入細致的研究可以提高轉子系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性以及安全性,進而避免不必要的安全問題的發(fā)生。本文以裂紋非對稱轉子為研究對象,針對裂紋非對稱轉子的振動問題,運用非線性接觸單元法建立了裂紋非對稱轉子的三維有限元模型,并應用自由界面模態(tài)綜合法對模型實現(xiàn)降階來縮短計算時間。通過仿真分析了裂紋位置角、裂紋位置及非對稱轉子扁平性等參數(shù)的變化對主共振不穩(wěn)定區(qū)域及振動特性的影響。同時采用擾動觀測器控制電磁執(zhí)行器(EMA)實現(xiàn)對該轉子系統(tǒng)振動的主動控制。其次,基于轉子動力學理論及本文提出的裂紋開閉映射法研究了轉速、不均勻質(zhì)量和非對稱轉子的扁平性等參數(shù)變化對轉子裂紋開閉特性的影響,提出了有效延緩裂紋擴展的方法。同時基于裂紋應力強度因子法分析了不均勻質(zhì)量的位置及大小對裂紋呼吸狀態(tài)的影響。通過實驗驗證控制方法的有效性。分析結果表明:(1)裂紋位置角變化對非對稱轉子的主共振和超諧波共振位置產(chǎn)生影響,并且在主共振區(qū)附近的不穩(wěn)定區(qū)域將變窄。在非對稱轉子中裂紋出現(xiàn)的位置對非對稱轉子的振動幅值、共振頻率和不穩(wěn)定區(qū)域的范圍等均造成影響。(2)不均勻質(zhì)量、轉速和非對稱轉子的扁平性等參數(shù)變化時,對呼吸裂紋的開閉程度和開閉周期等都存在一定的影響。特別是扁平性減小時可減小裂紋的開閉程度,相對延長了閉合時間。另外,非對稱轉子的不均勻質(zhì)量參數(shù)的減小可以有效的減弱裂紋的呼吸效應。(3)通過電磁執(zhí)行器可以有效的減小裂紋非對稱轉子在主共振及超諧波共振振動幅值,使轉子在主共振的不穩(wěn)定區(qū)域消失。并能夠使轉子在運行過程中保持相對穩(wěn)定的轉動,且使呼吸裂紋長期處于閉合狀態(tài),延緩裂紋的擴展。通過實驗表明利用EMA可對裂紋轉子的振動及裂紋呼吸效應等均具有抑制效果,驗證了控制方法的有效性。
【圖文】：

第二章 裂紋非對稱轉子的有限元動力學建模礎內(nèi)容為：限單元，定義每個單元中的節(jié)點，并通過這些節(jié)節(jié)點通常位于關節(jié)處。通過這樣的操作，具有無度的系統(tǒng)，導出元素的動能、勢能和虛功的表達以及外力矩陣。將其組合成轉子系統(tǒng)的剛度矩陣界條件，通過求解 Lagrange 法或 Hamilton 法則

第二章 裂紋非對稱轉子的有限元動力學建模N 維單位矩陣，RT 為旋轉矩陣。性接觸單元法構建的三維有限元模型，在該模型中，裂紋用別為接觸面和目標面。在求解過程中，，裂紋處節(jié)點的位移設置示為如下公式。ck cckq tu uu uu u ， 可以用兩個部分來表示，cku 代表裂紋截面處節(jié)點位移，qu紋界面的其他部分的節(jié)點位移。cu 和tu 分別表示裂紋面上接。
【學位授予單位】：天津理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O346.1;TH133

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