弹塑性接触和温度分布对拉杆转子动力学特性的影响研究

论文摘要

拉杆转子是重型发电用燃气轮机和航空发动机常用的转子结构形式。在我国燃气轮机技术自主化的过程中，具有非连续结构特点和复杂温度分布的拉杆转子动力学特性是燃气轮机技术的关键内容之一。本文以拉杆转子为对象，研究粗糙表面的弹塑性接触特性，提出具有温度分布的转子建模及动力学分析方法。研究了考虑轮盘间弹塑性接触的拉杆转子动力学特性，分析了轴向温度分布对拉杆转子动力学特性的影响，研究了周向不均匀温度分布引起的拉杆转子热弯曲变形及其在快速起动阶段的振动特性，为燃气轮机拉杆转子动力学设计分析提供研究方法和理论参考。主要研究内容包括：针对拉杆转子轮盘间的接触问题，采用有限元方法分析了微凸体弹塑性接触特性，给出了适用范围更大的微凸体弹塑性接触模型，结合粗糙表面统计特性，建立了粗糙表面弹塑性接触模型，进而分析粗糙表面的弹塑性接触特性。提出了表面形貌塑性指数和材料属性塑性指数，分别研究了表面粗糙度和材料属性参数对粗糙表面弹塑性接触面积和接触载荷的影响规律。研究结果可以为粗糙表面弹塑性设计分析提供理论参考。为了分析轴向温度分布对转子动力学特性的影响，基于传统梁单元和单元内部参数变化规律的多项式表达式，建立了考虑轴向变参数的梁单元。采用此模型建立锥形转子有限元模型，分析了锥形参数对转子临界转速和振型的影响规律。结合材料杨氏模量随温度的变化规律，建立了具有轴向温度分布的转子有限元模型，分析了轴向温度分布对转子动力学特性的影响。提出的单元模型可以为具有轴向变参数的转子动力学特性分析提供新的研究方法。针对燃气轮机转子热弯曲问题，采用有限差分法分析了转子横截面温度分布，根据变形等效原理，建立了转子横截面温度分布的等效热弯矩，分析了不同周向温差的轴向分布形式下转子的热弯曲变形。通过仿真计算了热弯曲转子在快速起动过程中的振动特性，分析了热弯曲和不平衡组合下的复杂振动现象。研究了快速起动结束后转子热弯曲衰减过程中转子振幅的变化规律。研究结果可以为燃气轮机快速热起动阶段振动特性分析和诊断提供理论依据。基于粗糙表面弹塑性接触模型，分析了拉杆转子轮盘间弹塑性接触刚度，建立了考虑弹塑性接触的拉杆转子动力学模型，研究了拉杆转子动力学特性及影响因素。结合转子轴向温度，分别研究了轴向温度分布引起的热膨胀和材料属性变化对拉杆转子临界转速的影响特性。分析了拉杆转子的热弯曲变形特性，研究了热弯曲拉杆转子在快速起动过程中的振动特性。设计拉杆拉紧力测定试验装置，测定了不同拧紧力矩下拉杆的拉紧力，并与经验公式进行对比分析。为了减小拉杆转子组装过程中拉杆拉紧力之间的差别，采用立式组装、对称交叉拉紧和分布拉紧等三种组装方法。在拉杆转子动力学试验台上测得不同拧紧力矩下拉杆转子的动力学响应，研究了拉杆转子临界转速随拉紧力的变化规律。试验结果与理论分析的对比分析定性验证了理论模型和方法的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 拉杆转子动力学研究现状
• 1.2.1 拉杆转子结构特点
• 1.2.2 拉杆转子动力学特性研究
• 1.3 粗糙表面接触研究现状
• 1.3.1 微凸体接触特性研究
• 1.3.2 粗糙表面接触研究
• 1.4 具有温度分布的转子动力学特性研究
• 1.4.1 温度分布引起杨氏模量变化对转子动力学特性的影响研究
• 1.4.2 转子热弯曲动力学研究
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 拉杆转子轮盘间弹塑性接触研究
• 2.1 引言
• 2.2 粗糙表面的统计学接触模型
• 2.3 微凸体弹塑性接触特性分析
• 2.3.1 有限元分析模型
• 2.3.2 微凸体弹塑性接触特性
• 2.3.3 材料属性对微凸体弹塑性接触特性的影响
• 2.3.4 基础变形对微凸体接触特性的影响
• 2.3.5 微凸体弹塑性接触模型
• 2.4 粗糙表面弹塑性接触特性研究
• 2.4.1 粗糙表面统计学弹塑性接触模型
• 2.4.2 粗糙表面弹塑性接触特性
• 2.4.3 塑性指数对粗糙表弹塑性接触特性的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 具有轴向温度分布的转子动力学特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 基于 Timoshenko 梁单元的轴段单元
• 3.3 轴向参数连续变化的轴段单元
• 3.4 锥形轴段单元
• 3.5 考虑轴向温度分布的轴段单元
• 3.6 算例分析
• 3.6.1 锥形转子
• 3.6.2 具有轴向温度分布的转子
• 3.7 本章小结
• 第4章 具有周向温度分布的转子动力学特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 转子横截面温度场
• 4.2.1 物理问题描述
• 4.2.2 有限差分法计算转子横截面温度场
• 4.2.3 算法验证及算例分析
• 4.3 转子热弯曲变形
• 4.3.1 等效热弯矩
• 4.3.2 温差轴向分布的轴段单元等效热载荷
• 4.3.3 不同温差分布下转子的热弯曲变形
• 4.3.4 温差在消失过程中的转子热变形
• 4.4 热弯曲转子快速起动动力学特性
• 4.4.1 热弯曲 Jeffcott 转子振动特性
• 4.4.2 连续转子的快速起动过程中的动力学特性
• 4.5 转子热弯曲衰减过程中动力学响应
• 4.5.1 Jeffcott 转子在热弯曲衰减过程中的振动变化
• 4.5.2 连续转子在热弯曲衰减过程中的响应
• 4.6 本章小结
• 第5章 具有温度分布的拉杆转子动力学特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 拉杆转子有限元动力学模型
• 5.2.1 拉杆转子的有限元建模
• 5.2.2 拉杆转子动力学特性
• 5.3 基于弹塑性接触刚度的拉杆转子动力学特性
• 5.3.1 粗糙表面弹塑性接触刚度
• 5.4 轴向温度分布对拉杆转子动力学特性的影响
• 5.4.1 转子轴向温度分析有限元模型
• 5.4.2 轴向热膨胀对拉杆转子临界转速的影响
• 5.4.3 材料属性变化对拉杆转子临界转速的影响
• 5.4.4 轴向温度分布对拉杆转子临界转速的影响
• 5.5 拉杆转子热弯曲动力学特性分析
• 5.5.1 拉杆转子的热弯曲变形
• 5.5.2 具有初始热弯曲拉杆转子快速起动振动特性
• 5.6 本章小结
• 第6章 拉杆转子动力学特性试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验原理及设备简介
• 6.2.1 拉杆拉紧力测定试验
• 6.2.2 拉杆转子动力学特性试验台
• 6.3 试验结果分析
• 6.3.1 拉杆拉紧力测定结果
• 6.3.2 拉杆转子可倾瓦轴系动力学响应试验
• 6.4 试验与理论分析结果对比
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历