转子系统若干故障问题的非线性及可靠性分析

论文摘要

旋转机械作为工业部门中最为重要的机械设备之一,在汽轮机、航空发动机等诸多机械中有着广泛的应用。转子—轴承系统作为旋转机械的核心部件,在工业的各个领域发挥着重要的作用。旋转机械的高速大功率柔性化发展,对旋转机械在速度、容量、效率和安全可靠性等方面提出了更高要求。因此,研究转子系统的动力学特性、稳定性及可靠性有着十分重要的意义。本文主要以双盘及多盘转子为研究对象,应用现代非线性理论、转子动力学理论及断裂理论,分别对涡摆耦合悬臂双盘转子系统的稳定性、弹性支承二十自由度双跨转子系统及弹性支承裂纹双跨转子的非线性进行研究,最后对含初始裂纹多跨转子系统的剩余寿命进行计算分析。具体工作如下：(1)建立涡摆耦合悬臂双盘碰摩转子系统的动力学模型和运动微分方程,利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶法和Floquet理论,以考虑陀螺效应的悬臂双盘碰摩转子系统为研究对象,分析悬臂双盘碰摩转子系统涡摆耦合运动的非线性特性,并讨论间隙和悬臂轴长等因素对转子系统稳定性的影响。(2)建立考虑碰摩及油膜耦合故障且具有弹性支承双跨二十自由度转子系统的非线性动力学模型,讨论对称支承、非对称支承以及刚性支承三种情况下转子系统的非线性动力学行为及混沌特性,比较三种情况下转子系统动力学特性的区别。(3)通过建立考虑裂纹—碰摩及油膜耦合故障且具有弹性支承裂纹—碰摩双跨转子系统的非线性动力学模型,研究该模型复杂的非线性和混沌特性,讨论裂纹深度等相关参数对系统非线性特性的影响,并与不存在裂纹情况时系统的非线性和混沌特性进行比较。(4)利用有限元软件和断裂力学裂纹扩展理论,数值定性分析和研究多盘转子的裂纹扩展情况和可靠性,计算转子系统的剩余寿命,并讨论初始裂纹大小、断裂韧性及温度对剩余寿命的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外对转子系统碰摩问题的研究现状
• 1.3 国内外对转子—轴承系统油膜力的研究现状
• 1.4 国内外对转子系统稳定性的研究现状
• 1.5 国内外对裂纹转子的研究现状
• 1.6 国内外对裂纹扩展及疲劳寿命的研究现状
• 1.7 本文研究的主要内容
• 第2章 涡摆耦合悬臂双盘碰摩转子系统的非线性及稳定性分析
• 2.1 引言
• 2.2 系统的动力学模型及运动微分方程
• 2.2.1 涡摆耦合悬臂双盘碰摩转子系统的动力学模型
• 2.2.2 非线性碰摩力
• 2.2.3 运动微分方程
• 2.3 非线性特性及稳定性分析
• 2.3.1 Floquet理论
• 2.3.2 考虑陀螺效应的碰摩转子系统的数值分析
• 2.3.3 不考虑陀螺效应碰摩转子系统的数值分析
• 2.3.4 陀螺效应对系统稳定性的影响
• 2.4 结论
• 第3章 弹性支承双跨碰摩转子系统的非线性特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 动力学模型及运动微分方程的建立
• 3.2.1 滑动轴承非线性油膜力
• 3.2.2 非线性碰摩力
• 3.2.3 动力学模型建立
• 3.2.4 弹性支承双跨碰摩转子系统的非线性特性
• 3.2.5 数值分析
• 3.3 对称弹性支承情况
• 3.3.1 转子角速度变化对系统响应的影响
• 3.3.2 非对称支承情况
• 3.3.3 刚性支承
• 3.4 结论
• 第4章 弹性支承裂纹—碰摩双跨转子系统非线性特性分析
• 4.1 概述
• 4.2 系统动力学模型和运动微分方程
• 4.2.1 裂纹开闭规律
• 4.2.2 裂纹模型
• 4.2.3 运动微分方程
• 4.3 数值计算分析
• 4.3.1 弹性支承有裂纹情况
• 4.3.2 刚性支承有裂纹情况
• 4.3.3 弹性支承无裂纹情况
• 4.4 结论
• 第5章 多盘转子的裂纹扩展寿命的可靠性分析
• 5.1 引言
• 5.2 裂纹的分类
• 5.3 模型建立
• 5.4 疲劳裂纹扩展寿命的计算
• 5.4.1 疲劳寿命简介
• 5.4.2 裂纹扩展模型
• 5.4.3 常用的疲劳裂纹扩展寿命计算方法
• 5.4.4 临界转速及振型
• 5.4.5 裂纹的扩展规律
• 5.4.6 剩余寿命计算
• 5.4.7 初始裂纹大小对转子系统寿命的影响
• 5.4.8 断裂韧度对转子剩余寿命的影响
• 5.4.9 温度对转子系统剩余寿命的影响
• 5.5 结论
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录