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转子试验台毕业设计

立式叶盘-转子碰摩测试实验台的设计与分析

作者姓名：

魏洪浩

指导教师：

***

单位名称：

机械工程与自动化

专业名称：

机械工程及自动化

东北大学

2013年6月

Thedesignandanalysisofverticalbladedisc-rotorrubbingtestrig

ByWeiHonghao

Supervisor:

LiChaofeng

NortheasternUniversity

June2013

毕业设计（论文）任务书

毕业设计论文题目：

立式叶盘-转子碰摩测试实验台的设计与分析

基本内容：

1．应用三维制图软件SolidWorks对本课题所研究的立式叶盘-转子碰摩测试实验台进行设计建模。

2．应用CAXA软件绘制实验台的二维图。

3．应用有限元软件ANSYS对转子进行静力学分析、模态分析和谐响应分析。

4．应用仿真软件ADAMS对试验台进行仿真。

5．评估总结系统运行时所受的各种影响，为进一步的研究打下坚实的基础。

毕业设计（论文）专题部分：

题目：

设计或论文专题的基本内容：

学生接受毕业设计（论文）题目日期

　　　　　　　　　　　　　第　1　周

指导教师签字：

2013年　月日

立式叶盘-转子碰摩测试实验台的设计与分析

摘要

旋转机械是工业部门中应用最为广泛的一类机械设备，例如压气机、压缩机、汽轮机、各种工程机械以及其他许多重要机械设备都属于这一类。

叶盘-转子系统作为旋转机械的核心部件，在电力、能源、交通、石油化工以及国防等领域中发挥着无可替代的作用。

压气机这类大型旋转机械，在运行（特别是启动）过程中，在旋转部件和静止部件之间常会发生摩擦故障，导致机组振动超标甚至损坏。

这种动静件摩擦往往由其他故障引发，如转子质量不平衡、转子弯曲、转子不对中、间隙不足等等。

随着大型机组向着高性能、高效率发展，动静间隙变小，碰摩的可能性也随之增加。

因此研究碰摩振动的机理、正确诊断和预防碰摩对机组的安全至关重要。

本课题首先应用SolidWorks软件对立式叶盘-转子碰摩测试实验台进行设计并建模。

然后利用ANSYS有限元分析软件，对叶盘模型进行静力分析、模态分析和谐响应分析，分析叶盘的固有特性。

再将整个试验台导入到仿真软件ADAMS中进行仿真，研究系统在正常运转时，叶片的受力情况，并分别用刚体和柔性体叶片进行仿真，分析其受力情况。

关键词：

压气机立式试验台叶片有限元仿真柔体

Thedesignandanalysisofverticalbladedisc-rotorrubbingtestrig

Abstract

Rotatingmachineryisthemostwidelyusedclassofmechanicalequipmentintheindustrialsector,suchascompressor,compressor,turbine,avarietyofconstructionmachineryandmanyotherimportantmechanicalequipmentfallintothiscategory.Blade-rotorsystemplayanirreplaceableroleasacorecomponentofrotatingmachineryinelectricpower,energy,transportation,petrochemicalanddefensefields.

Forcompressorandotherlargerotatingmachinery,frictionfaultsareoftenoccurintherunning（especiallystartup）processbetweentherotatingpartsandthestationaryparts,leadingtoexcessiveofthevibrationorevendamagetheunit.ThisfrictionbetweenrotorandStatoroftencausedbyotherfaults,suchasrotormassunbalance,rotorbending,rotormisalignment,lackofspaceandsoon.Withlargeunitstowardhighperformance,highefficiencydevelopmentandmovementgapbecomessmaller,thepossibilityofrubbingincreases.Therefore,studyingthemechanismofrubbingvibration,thecorrectdiagnosisandpreventionofrubbingontheunit'ssafetyisveryimportant.

First,usingSolidWorkssoftwaretodesignandmodelingtheverticalbladedisc-rotorrubbingtestrig.Then,usingthefiniteelementanalysissoftwareANSYS,bladediskmodelforstaticanalysis,modalanalysisandharmonicresponseanalysis,analysisoftheinherentcharacteristicsofbladediscs.ThenimportedtherigintothesoftwareADAMStosimulation.Researchingtheforcesonthebladeduringthesystemsnormaloperation.Thebladeofrigidandflexiblebodieswereusedtosimulate,andanalyzetheforces.

Keywords:

Compressor,VerticalTestRig,Blade,FiniteElement,Simulation,Flexiblebody.

第1章绪论

1.1课题背景及意义

旋转机械是工业部门中应用最为广泛的一类机械设备，例如压气机、压缩机、汽轮机、各种工程机械以及其他许多重要机械设备都属于这一类。

叶盘-转子系统作为旋转机械的核心部件，在电力、能源、交通、石油化工以及国防等领域中发挥着无可替代的作用。

以压气机为例，这类大型旋转机械，在运行（特别是启动）过程中，在旋转部件和静止部件之间常会发生摩擦故障，导致机组振动超标甚至损坏。

这种动静件摩擦往往由其他故障引发，如转子质量不平衡、转子弯曲、转子不对中、间隙不足等等[1]。

随着大型机组向着高性能、高效率发展，动静间隙变小，碰摩的可能性也随之增加。

因此研究碰摩振动的机理、正确诊断和预防碰摩对机组的安全至关重要。

1.2国内外研究现状及发展动态

1.2.1国外研究现状及发展动态

压气机是在工质参数变化范围很宽的条件下工作的大功率部件，也是发动机试验中耗费最大、测试技术较复杂的部件，其试验任务十分广泛，与理论计算值得相互一致性也在不断提高。

美国在发展高压压气机过程中,不仅是流场分析模拟技术发挥了重要作用,而且,试验研究技术也发挥了重要作用,甚至可以说发挥了更重要的作用。

正是二者紧密结合,共同不断发展、完善、提高,才达到了今天如此强大、高水平的研制能力。

例如，为研制高压压气机,GE公司还创造了一套专门的试验研究技术,即低速大尺寸压气机试验技术。

由于真实高压压气机后几级叶片和通道尺寸很小,很难对流场进行准确测量,于是,想到将其放大,即按某种意义下的流动相似准则,将高速小尺寸的真实压气机转换为低速大尺寸模型,在低速大尺寸条件下对流场细节进行准确测量,发现不足之处,在改进后再在低速下作试验;待取得满意结果后,再转换到高速小尺寸。

GE公司利用该技术提出了定制（Tailored）叶型概念,意即像裁缝那样量体裁衣、做出最合身的衣服。

低速大尺寸压气机试验技术在E3发动机高压压气机的研制中发挥了重要作用[2]。

国外航空发达国家相关压气机试验设备，如俄罗斯中央航空发动机研究院的多级压气机模型试验器，最大转速为3500r/min;最大功率1000kW;英国的艾利逊发动机公司的小比例风扇试验器，最大转速达45000r/min，最大功率约200kW;国外这些发动机公司拥有较完善的配套硬件设备，积累了大量宝贵的试验数据和试验技术，为新机种的开发研制预先解决了多项关键技术，从而缩短了新机的研制周期[3]。

近年来，随着高增压比、高效率、低噪声、抗高畸变以及高可靠性的压气机的研究，使压气机实验技术有很大发展。

诸如NASA采用高灵敏度测量仪表在相对流为超声速的叶片中产生强激波的情况下，测量外侧机匣上的静压；测量高载荷、高马赫数静子叶栅的损失大小和损失分布；采用激光双光束聚焦测速方法进行旋转叶栅气流流动过程及匹配的研究，用以校准和矫正跨声速叶栅气流的理论计算；测定压气机对进口畸变的反应和容忍能力，以扩大它在较大畸变下的稳定工作范围；测定减少压气机噪声诸方法的有效性；采用动态射线摄影测定叶尖间隙；采用全息显示技术测定导致叶片稳态和非稳态脉动的气动力并用以研究跨声速流中的激波运动以及进行提高压气机承载能力的实验研究等[4]。

1.2.2国内研究现状及发展动态

我国目前己建有不同功率等级、不同转速、转向的压气机试验台架，为航空发动机的定型、预研做了大量试验与验证。

如中国燃气涡轮研究院现有的某压气机试验器和606所现有的某压气机试验器等。

但与国外同类试验器相比，还有较大的差距，同时，由于试验器自身条件的限制，无法展开弹用和无人机用发动机风扇/压气机部件性能试验[5]。

随着航空技术的不断发展，对压气机试验设备的能力和要求越来越高，现有国内试验器与国外先进压气机设备相比，在试验能力和范围上及测试手段存在一定的差距，如果不及时改进，跟上时代发展的需要，那么在未来高增压比压气机的试验研究领域将越来越落后，从而影响到发动机整机研制的步伐。

1.3本课题研究目的及主要研究内容

本课题以压气机叶盘-转子系统为研究对象，设计可以进行碰摩测试的立式试验台，并应用CAXA、SolidWorks软件对该试验台进行二维图绘制以及建立其三维模型。

然后运用ANSYS软件对叶盘-转子系统进行静力分析、模态分析和谐响应分析，最后运用ADAMS软件对该试验台进行运动仿真分析。

第2章应用理论及软件概述

2.1SOLIDWORKS简介

2.1.1SOLIDWORKS概述

SolidWorks为达索系统（DassaultSystemesS.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。

达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。

该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的CATIAV5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。

2.1.2SOLIDWORKS建模简介

在SolidWorks软件里有零件建模、装配体、工程图等基本模块，因为SolidWorks软件是一套基于特征的、参数化的三维设计软件，符合工程设计思维，并可以与CAMWorks及DesignWork等模块构成一套设计与制造结合的CAD/CAM/CAE系统，使用它可以提高设计精度和设计效率；可以用插件的形式加进其他专业模块（如工业设计、模具设计、管路设计等）。

其特征是指可以用参数驱动的实体模型，是一个实体或者零件的具体构成之一，对应一形状，具有工程上的意义；因此这里的基于特征就是零件模型是由各种特征生成的，零件的设计其实就是各种特征的叠加。

参数化是指对零件上各种特征分别进行各种约束，各个特征的形状和尺寸大小用变量参数来表示，其变量可以是常数，也可以是代数式；若一个特征的变量参数发生变化，则这个零件的这一个特征的几何形状或者尺寸大小将发生变化，与这个参数有关的内容都自动改变，用户不需要自己修改。

下面是零件建模、装配体等基本模块的特点：

（1）零件建模：

SolidWorks提供了基于特征的、参数化的实体建模功能，可以通过特征工具进行拉伸、旋转、抽壳、阵列、拉伸切除、扫描、扫描切除、放样等操作完成零件的建模。

建模后的零件，可以生成零件的工程图，还可以插入装配体中形成装配关系，并且生成数控代码，直接进行零件加工。

（2）装配体：

在SolidWorks中自上而下生成新零件时，要参考其他零件并保持这种参数关系，在装配环境里，可以方便地设计和修改零部件。

在自下而上的设计中，可利用已有的三维零件模型，将两个或者多个零件按照一定的约束关系进行组装，形成产品的虚拟装配，还可以进行运动分析、干涉检查等，因此可以形成产品的真实效果图[5]。

2.2ANSYS简介

2.2.1ANSYS软件特点

在目前的大型通用有限元分析软件中，美国的ANSYS软件是最为通用有效的商业有限元软件之一。

其强大的分析功能、友好的操作界面以及广泛的应用领域已使得该大型通用有限元软件越来越受到瞩目。

ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁多场耦合等分析技术为一体的通用有限元软件，ANSYS已应用到全世界的诸多领域，涉及航空航天、汽车、船舶、通信、建筑结构、通用机械、医疗器械及电子电气等。

ANSYS软件从20世纪70年代诞生至今，经过了30多年的发展，已经被全球工业界所广泛接受。

ANSYS作为功能强大的、应用广泛的有限元分析软件，其功能主要体现在一下几个方面：

（1）数据统一。

ANSYS使用统一的数据库来存储几何模型、有限元模型、材料参数、外载及结果数据，从而保证了前后处理、分析求解及多场耦合分析的数据统一。

（2）强大的求解功能。

ANSYS提供了多种求解器，用户可以根据具体的分析问题选择合适的求解器。

（3）强大的非线性分析功能。

ANSYS具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及接触非线性分析等。

（4）多种网格划分方式。

ANSYS提供了free网格划分、map网格划分、sweep网格划分等多种网格划分方式，可根据模型的特点选择合适的网格划分方式。

（5）独特的优化功能。

利用ANSYS优化设计模块，对结构的拓扑、形貌、材料进行优化，确定最优的涉及方案。

（6）多场耦合功能。

ANSYS可以实现多场的耦合分析，研究各无物理场间的相互影响。

（7）友好的程序接口。

ANSYS提供了与主流CAD软件及其他有限元分析的接口程序，可以实现数据的导入和导出，如Pro／Engineer、NASTRAN、UniGraphics、I-DEAS、AutoCAD、SolidWorks等。

（8）良好的用户开发环境。

ANSYS提供了便利的二次开发平台，用户可以利用APDL、UIDL和UPFs等对其进行二次开发。

2.2.2ANSYS在机械领域的应用

ANSYS在机械领域主要用于确定结构在载荷作用下的静力、动力、热和流动等行为，研究结构的强度、刚度以及稳定性等问题。

较常见的有一下几类：

（1）强度、刚度问题

分析结构在静态和动态外载荷作用下的应力和应变，评估其安全性，避免结构的断裂破坏。

该类问题主要涉及ANSYS的结构分析模块，可以考虑结构的线性及非线性特性。

例如，大变形、应力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变等。

（2）振动、噪声问题

研究结构的振动特性，以及在随时间变化载荷作用下的动态相应，以寻求隔振、降噪的解决方案。

该类问题主要涉及ANSYS的动力学、声学分析模块。

（3）热、热变形问题

分析物体在热源作用下的稳态和瞬态温度分布，以及改温度分布下结构的热变形，以获取该结构的热力学性能，校验是否能达到设计的要求。

该类问题主要涉及ANSYS的热、热-结构耦合分析模块。

（4）流动问题

确定结构流体介质的流动及热行为，分析流动对结构安全性能、密封性能等的影响，以保证结构的性能满足设计的需要。

该类问题主要涉及ANSYS的流体、结构动力学分析模块。

（5）冲击、碰撞、金属成形问题

对冲击、碰撞、金属成形过程进行数值仿真分析，校验其安全性能，兵提前预示结构的缺陷与不足，以及时修改设计，节约研发时间，缩短研发费用。

这类问题主要涉及ANSYS的显示动力学分析模块[6]。

2.3ADAMS的理论基础和求解方法

2.3.1ADAMS软件简介

ADAMS是较权威的机械系统仿真设计软件，工程中可利用ADAMS交互式图形环境、零件约束、力库等建立机械系统三维参数化模型，并通过对其运动性能进行高精度逼真的仿真分析和比较，研究“虚拟样机”可供选择的多种设计方案。

ADAMS自动输出位移、速度、加速度和作用力，其仿真结果可显示为逼真的动画或X-Y曲线图形，ADAMS仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、包装、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷，支持ADAMS同大多数CAD、FLEX（柔性模块）及控制设计软件包之间的双向通讯。

ADAMS的核心配置方案是核心仿真软件包，它包括交互式图形用户界面ADAMS／View和仿真核心的求解器ADAMS／Solver等。

ADAMS／View是ADAMS系列产品的交互式图形环境，采用简单的分级方式或建模工作。

仿真结果采用强有力的、形象直观的方式描述虚拟样机的动力学性能，并将分析结果进行形象化输出。

CAD几何造型可通过IGES接口输入进ADAMS／View,ADAMS／View的输出选项可以是曲线图、着色的或线框式的动画显示及输出到Exchange接口视频显示器或WAVE--FRONT软件接口。

ADAMS／Solver是位于ADAMS产品系列心脏地位的仿真“发动机”。

该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，并提供静力学、运动学和动力学的解算结果。

ADAMS／Solver有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种问题它可以对刚体和弹性体进行仿真研究。

为了进行有限元分析和控制系统研究，用户除要求软件输出位移、速度、加速度和力外，还可要求模块输出用户自己定义的数据，可以通过运动副、随机运动、高副接触、用户自定义的子程序等添加不同的约束，还可同时求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单向外力。

ADAMS／Flex是集成可选模块，是ADAMS与Flex软件之间进行双向数据通讯的接口，它可研究柔性体对机械系统性能的影响，该模块利用模态频率生成柔性体的ADAMS模型，由于系统仿真研究考虑了柔性体的影响，因此可以明显提高仿真精度。

Flex是合成柔性体的有效途径。

ADAMS／Flex支持ANSYS、MSC／NASTRAN和1-DEAS的中性文件（NeutralFile）格式。

通过柔性体节点增加适当的约束和力，就可以使柔性体与其它刚体共同形成一个有机的ADAMS模型。

ADAMS/Car（轿车模块）赋予工程师精确建立整套虚拟样机的能力，其中包括悬架、传动系、发动机、转向机构、ABS系统以及其它复杂总成。

用户可以在各种不同的道路条件下运行ADAMS／Car模型，执行驾驶操作，使车辆在试验跑道上正常行驶，准确模拟汽车的操纵稳定性、乘座舒适性、安全性及其它各项性能。

仿真功能还包括牵引性能控制、ABS等控制系统。

这为汽车工程师提供了前所未有的仿真能力，世界五大汽车制造公司Audi、BMW、Ford、Renault和Volve形成了一个国际性合作集团，共同开发成功了ADAMS/Car软件。

ADAMS／Tire（轮胎模块）是研究轮胎与道路相互作用的可选模块。

该模块更完善地计算侧向力、自动回正力矩及由于路面坑洼等障碍而产生的力，ADAMS／Tire可计算轮胎因克服滚动阻力而受到的垂直、纵向和横向载荷，可仿真研究车辆在制动、转向和滑行、滑移等大变形位移下的动力学特性；可与ADAMS结合共同研究车辆的稳定性，计算汽车的偏移、俯冲和侧倾；输出力和加速度数据可供有限元分析软件包进行压力和疲劳研究；计算由于制动力矩和转动力矩产生的反作用力。

此外，ADAMS还包括Linear（线性分析模块）、Exchange（图形接口模块）、Controls（控制模块）、MECHANISM／Pro（机构分析模块）、Vehicle（车辆模块）、Animation（动画模块）、ADAMS/Driver（驾驶员模块）等。

ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）软件是美国MDI（MechanicalDynamicInc.）公司（现己被MSC合并）开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学、动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。

ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及有限元的输入载荷等。

它的核心仿真软件包括交互式图形环境ADAMS/View和仿真求解器ADAMS/Solver，以及其他扩展模块。

ADAMS/View（界面模块）是以用户为中心的交互式图形环境，它提供丰富的零件几何图形库、约束库和力库，将便捷的图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、X-Y曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。

ADAMS/Solver（求解器）是ADAMS软件的仿真“发动机”，它自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。

ADAMS/Solver有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程问题。

ADAMS/Car轿车模块）是MDI公司与Audi、BMW和Renault等公司合作开发地整车设计模块，它能够快速建造高精度地整车虚拟样机，其中包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等，可以通过高速动画直观再现各种试验工况下整车地动力学响应，并输出标志操纵稳定性、制动性、平顺性和安全性地特征参数。

2.3.2ADAMS的理论基础和求解方法

动力学方程的求解速度很大程度上取决于广义坐标的选择。

ADAMS用刚体的质心笛卡儿坐标和反映刚体方位的欧拉角（或广义欧拉角）作为广义坐标。

在进行动力学分析时，ADAMS采用两种算法:

（1）提供三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序:

GSTIFF积分器，DSTIFF积分器和BDF积分器来求解稀疏藕合的非线性微分代数方程，这种方法适于模拟刚性系统（特征值变化范围大的系统）

（2）提供ABAM积分求解程序，采用坐标分离算法，来求解独立坐标的微分方程，这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。

对应于前面所述的机械系统三种不同性质的分析，ADAMS软件也有相应的各种方程建立方法。

在对系统进行动力学、静力学分析之前，ADAMS自动进行