一种应用于轴流式旋转机械转子的快速强度分析方法与流程

1.本发明属于旋转机械强度分析领域，涉及一种应用于轴流式旋转机械转子的快速强度分析方法。


背景技术：

2.轴流式旋转机械是通过转子旋转实现功能的机械装置，常见的有航空发动机、重型燃气轮机、压缩机等。转子作为旋转机械的核心部件，一般由主轴、轮盘、叶片、螺栓等构成，结构复杂，载荷多变，是旋转机械故障的主要来源。转子的故障往往与其承受的交变应力有关，而且转子故障通常需要停机检修，会造成程度不等的经济损失。因此对旋转机械转子进行强度分析具有十分重要的现实意义。
3.传统的轴流式旋转机械转子强度分析程序复杂，强调分析数据的准确性，需要多种手段互为印证。即使是效率较高的数值计算方法，也需要耗费大量时间建立实体模型和与之对应的网格来还原旋转机械转子复杂的几何结构，还原的特征越多，网格加密量越大，消耗的计算时间也随之大幅增加。强度分析周期越长，转子故障造成的经济损失就越大。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种应用于轴流式旋转机械转子的快速强度分析方法，降低了计算分析的时间，能够快速完成故障定性，有助于降低故障停机造成的损失。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种应用于轴流式旋转机械转子的快速强度分析方法，包括以下过程：
7.s1，建立转子实体模型；
8.s2，对转子实体模型进行强度分析，其中转子轮盘具有数量为n的要保留的几何特征，保留其中一个并以之为中心对转子实体模型沿周向截取360
°
/n范围的扇形计算域，对计算域的两个周向侧面设置周期性边界条件；
9.s3，对扇形计算域建立有限元模型，施加与实际工况对应的载荷，获取变形和应力场结果，进而得到强度分析结果。
10.优选的，s1中，建立转子实体模型的具体过程为：对于故障区域的部件保留几何特征和与相邻几何结构之间的接触面；对于非故障部件，忽略这些部件之间的接触面而将其视为一个连续体；将连续体和故障区域的单独实体按照装配关系组合成完整的转子实体模型。
11.优选的，s1之前，采用集中质量法将叶片的质量等效至其对应轮盘上。
12.优选的，s2中，n为4～20。
13.优选的，s3中，对故障区域部件施加与实际工况对应的载荷，获取故障区域部件承载面和接触面的变形和应力场结果。
14.优选的，s3中，对故障区域几何特征被还原的部件进行网格加密，对其它部分的实
体模型的网格制作数量降低30-50％。
15.一种应用于轴流式旋转机械转子的快速强度分析系统，包括：
16.实体模型建立模块，用于建立转子实体模型；
17.扇形计算域确立模块，用于对转子实体模型进行强度分析，其中转子的轮盘具有数量为n的要保留的几何特征，保留其中一个并以之为中心对转子实体模型沿周向截取360
°
/n范围的扇形计算域，对计算域的两个周向侧面设置周期性边界条件；
18.强度分析模块，用于对扇形计算域建立有限元模型，施加与实际工况对应的载荷，获取变形和应力场结果，进而得到强度分析结果。
19.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述应用于轴流式旋转机械转子的快速强度分析方法的步骤。
20.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述应用于轴流式旋转机械转子的快速强度分析方法的步骤。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.本发明通过转子轮盘要保留的几何特征，保留其中一个并以之为中心对转子实体模型沿周向截取360
°
/n范围的扇形计算域，对计算域的两个周向侧面设置周期性边界条件，可以在保障计算准确性的前提下最大限度的节省计算时间，提高分析效率，简化了实体建模、有限元建模的布置，降低了计算分析的时间；并且对扇形计算域建立有限元模型，进行载荷应力分析，保留了故障区域详细的部件结构，还原了必要的几何特征，相对于过于简化的连续体转子建模具有更高的计算精度，能够得到故障部件更准确的强度分析结果。充分考虑了工程领域对缩短分析时间的需求，同时保留了强度分析必要的几何特征，能够得到快速准确的轴流式旋转机械转子强度分析结果，为提高故障分析效率提供了方法。
23.进一步，针对需要进行重点分析的部件在实体建模时保留详细几何特征及接触面，以准确模拟载荷对接触面应力分布和变形的影响，对其它部件则合并为整体建立实体模型，可以更好地平衡变形、应力场等计算的精度和所需时间，也有利于节约计算资源。
24.进一步，采用集中质量法将叶片的质量等效至其对应轮盘上，能够合理的降低计算量，节约计算时间。
25.进一步，对故障区域几何特征被还原的部件进行网格加密，加密后的网格尺度为部件特征长度的1％～10％，将计算重点偏向于故障区域，提高计算精度。
附图说明
26.图1为本发明的流式旋转机械转子快速强度分析方法流程图；
27.图2为本发明的轮盘与转轴合并建模示意图；
28.图3为本发明的扇形计算域示意图；
29.图4为本发明的轮盘拉杆螺栓孔位置示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
31.如图1所示，为本发明所述的应用于轴流式旋转机械转子的快速强度分析方法，包括以下过程：
32.步骤1，轴流式旋转机械轮盘上布置有数量较多的叶片，如压气机叶片、透平叶片等，通常为了防止共振，这些叶片的数量是不能被轮盘几何特征数量整除的，对于这些轮盘外缘的几何结构采用集中质量的方法，将其质量整体等效至叶片所在轮盘上，为后续的扇形计算域建立提供条件，同时提高计算速度。
33.步骤2，对于非故障部件，如远离故障区域的轮盘、拉杆螺栓、螺母等部件，可以进行合并实体建模，即忽略这些部件之间的接触面而将其视为一个连续体；对于故障区域的部件则保留详细的几何特征和与相邻几何结构之间的接触面，以准确模拟载荷对接触面应力分布和变形的影响；采用这种方式可以更好地平衡变形、应力场等计算的精度和所需时间，也有利于节约计算资源。将简化的连续部件实体和故障区域的单独实体部件按照装配关系组合成完整的转子实体模型。
34.步骤3，由于旋转机械的轮盘往往带有数量为n的需要保留的几何特征，n一般为4～20，在对旋转机械转子进行强度分析时，可以保留其中一个或一组，并以之为中心对步骤2获得的转子实体模型沿周向截取360
°
/n范围的扇形计算域，对计算域的两个周向侧面设置周期性边界条件，采用此方法可以在保障计算准确性的前提下最大限度的节省计算时间，提高分析效率。
35.布置4，依据步骤3获得的扇形计算域几何参数制作结构化网格以建立有限元模型，对故障区域几何特征被详细还原的部件进行适当加密，加密后的网格尺度为部件特征长度的1％～10％，其它部分的连续体模型则可以适当降低网格制作精度，对转子有限元模型施加符合实际工况的载荷以得到故障区域部件承载面、接触面等关键位置的变形和应力分布情况，据此实施量化强度分析。
36.下述实施例为采用上述方法进行具体的轴流式旋转机械转子的强度分析过程为：
37.步骤1，轴流式旋转机械轮盘上布置有数量较多的叶片，如实施例中的压气机、透平叶片，这些叶片的数量不能被轮盘螺栓孔的数量整除，为了建立后续的扇形计算域，对这些叶片采用集中质量的方法，将其质量整体等效至叶片所在轮盘上。
38.步骤2，对于非故障部件，如图2所示的非故障级轮盘，可以进行合并实体建模，即忽略这些部件之间的接触面而将其视为一个连续体。对于故障区域的部件，如实施例中的拉杆螺栓，则保留详细的几何特征和与相邻几何结构之间的接触面，采用这种方式可以更好地平衡变形、应力场等计算的精度和所需时间，也有利于节约计算资源。将简化的主轴实体和故障区域的拉杆螺栓实体部件按照装配关系组合成完整的转子实体模型。
39.步骤3，由于旋转机械的轮盘往往带有数量为n的需要保留的几何特征，实施例中为12个拉杆螺栓孔，这些结构存在以轴线为基准的扇区对称。在对旋转机械转子进行强度分析时，可以省去其它相同的螺栓孔，只保留其中一个并以之为中心对步骤2获得的转子实体模型沿周向截取360
°
/n，本实施例中为30
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范围的扇形计算域，如图3所示。对计算域两个周向侧面设置周期性边界条件，以提高转子强度分析的效率。
40.布置4，依据步骤3获得的扇形计算域几何参数制作结构化网格以建立有限元模型，如图4所示，对故障区域几何特征被详细还原的部件进行适当加密，其它部分的连续体模型则可以降低网格制作精度，对转子有限元模型施加符合实际工况的载荷以得到故障区
域部件承载面、接触面等关键位置的变形和应力分布情况，据此实施量化强度分析。
41.下述为本发明的装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于装置实施例中未纰漏的细节，请参照本发明方法实施例。
42.本发明再一个实施例中，提供了一种应用于轴流式旋转机械转子的快速强度分析系统，该应用于轴流式旋转机械转子的快速强度分析系统可以用于实现上述应用于轴流式旋转机械转子的快速强度分析方法，具体的，该应用于轴流式旋转机械转子的快速强度分析包括实体模型建立模块、扇形计算域确立模块以及强度分析模块。
43.其中，实体模型建立模块用于建立转子实体模型；扇形计算域确立模块，用于对转子实体模型进行强度分析，其中转子的轮盘具有数量为n的要保留的几何特征，保留其中一个并以之为中心对转子实体模型沿周向截取360
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/n范围的扇形计算域，对计算域的两个周向侧面设置周期性边界条件；强度分析模块，用于对扇形计算域建立有限元模型，施加与实际工况对应的载荷，获取变形和应力场结果，进而得到强度分析结果。
44.本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于应用于轴流式旋转机械转子的快速强度分析方法的操作，包括：s1：建立转子实体模型；s2：对转子实体模型进行强度分析，其中转子轮盘具有数量为n的要保留的几何特征，保留其中一个并以之为中心对转子实体模型沿周向截取360
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/n范围的扇形计算域，对计算域的两个周向侧面设置周期性边界条件；s3：对扇形计算域建立有限元模型，施加与实际工况对应的载荷，获取变形和应力场结果，进而得到强度分析结果。
45.再一个实施例中，本发明还提供了一种计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
46.可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关应用于轴流式旋转机械转子的快速强度分析方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：s1：建立转子实体模型；s2：对转子实体模型进行强度分析，其中转子轮盘具有数量为n的要保留的几何特征，保留其中一个并以之为中心对转子实体模型沿周向截取360
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/n范围的扇形计算域，对计算
域的两个周向侧面设置周期性边界条件；s3：对扇形计算域建立有限元模型，施加与实际工况对应的载荷，获取变形和应力场结果，进而得到强度分析结果。
47.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
48.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
49.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
50.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
51.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。