含裂纹超大型空分叶轮动力学分析

摘要

随着现代科学技术的不断进步以及满足工业化进程的发展要求，人们对各种工业气体的需求越来越大，对空分设备的设计制造提出了新的挑战。与国外相比，我国空分设备发展起步晚、制造规模小、产品耗能高，目前迫切需要对大型空分设备的工艺流程进行系统的分析，尤其是对空分设备关键零部件在不同工况运行条件下的负载变化规律进行深入的研究，从而进一步建立空分设备关键零部件疲劳寿命的预测方法。以某离心压缩机闭式叶轮为研究对象，对含裂纹叶轮的动力学特性及载荷波动进行了分析，并试图进一步建立空分设备关键零部件裂纹扩展寿命的预测方法，本文的主要工作内容如下:
　　首先，根据多自由度局部非线性系统的特性，结合解析解法中的谐波平衡理论，对多自由度局部非线性系统进行降维，结合数值解法里的变分理论，采用复数形式的稳态响应表达式，推导了降阶后系统的求解方法并进行了验证;
　　其次，对离心叶轮进行了理想状态下的静力分析，确定了最大等效应力位置及危险位置，进行了裂纹扩展分析，并初步估算了叶轮的裂纹扩展寿命;
　　再次，对比分析了含裂纹叶轮和不含裂纹叶轮的固有特性，根据实际工况，并结合接触力学相关理论，建立了转动坐标系下的动态裂纹模型，对比分析了裂纹对叶轮动态特性的影响;
　　最后，建立了转动坐标系下的叶轮-转子系统模型，给出了转动坐标系下的支撑模型及实体转子的求解方法，分析了转子系统在多种复杂工况下的动力学特性，计算了耦合故障下的转子系统在一个周期内的应力变化。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 复杂高维局部非线性动力学研究现状

1．2．2 裂纹扩展研究现状

1．2．3 裂纹转子动力学研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第2章 多自由度局部非线性系统的求解方法

2．1 概述

2．2 局部非线性多自由度系统的运动微分方程

2．3 局部非线性多自由度系统的降阶

2．4 降阶后系统的求解方法

2．5 简单模型算法验证

2．5．1 双边非线性系统稳态响应分析

2．5．2 单边非线性系统稳态响应分析

2．6 本章小结

第3章 离心压缩机叶轮裂纹扩展分析

3．1 概述

3．2 裂纹扩展机理分析

3．2．1 裂纹尖端附近应力应变场

3．2．2 裂纹扩展路径模拟方法

3．2．3 裂纹长度-寿命

3．3 模型建立及静力分析

3．4 裂纹扩展模拟及强度因子求解

3．5 a-N曲线估算

3．6 本章小结

第4章 含裂纹叶轮动态特性分析

4．1 概述

4．2 叶轮的固有特性分析

4．2．1 实体转子系统的模态解

4．2．2 叶轮的固有特性分析

4．3 动态裂纹模型建立

4．3．1 叶轮动态裂纹模型建立

4．3．2 裂纹坐标变换

4．4 含裂纹叶轮响应分析

4．5 本章小结

第5章 复杂工况下裂纹叶轮-转子动力学分析

5．1 概述

5．2．2 转动系下的支撑模型

5．2．3 不平衡响应求解

5．3 叶轮-转子系统碰摩故障

5．3．1 碰摩故障模型

5．3．2 圆周局部碰摩故障求解

5．4 裂纹叶轮-转子系统

5．4．2 耦合故障下叶轮-转子不平衡响应求解

5．4．3 耦合故障下的应力变化

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文及成果