双转子系统高压转子及低压转子连接节点的检查方法

摘要

本发明公开了一种双转子系统高压转子及低压转子连接节点的检查方法。主要步骤是构建有轴段部件、节点信息的轴段矩阵；检查所有轴段的连接关系，分解出高压和低压转子几何模型组件；利用低压转子长度大于高压转子长度特点，区分高压转子及低压转子轴组件；结合高压转子及低压转子轴组件区分结果，利用中介轴承单元两个连接节点分别处于高压和低压轴组件特点，实现了连接节点的几何检查。本发明对不含静子部件、转子轴向方向平行于任一笛卡尔坐标系方向、中介轴承连接的双转子模型，在高压转子及低压转子连接节点被设定后，通过几何检查，可自动分解高压转子及低压转子轴组件，判断中介轴承连接节点的合理性。

说明书

技术领域

本发明涉及转子动力学特性有限元建模领域，具体涉及以中介轴承为连接部件的高低压双转子系统的连接节点建模及几何检查方法。

背景技术

中介轴承是一种广泛使用的双转子航空发动机连接部件，大多数涡扇、涡喷发动机都采用中介轴承连接高压转子及低压转子，以达到缩短支点距离、降低发动机重量目的。

在有限元建模中，中介轴承是独立的连接单元模型，每个中介轴承连接单元由高压转子及低压转子的连接节点成对联接而成。一个双转子系统模型可以有多个中介轴承单元，一个中介轴承可以有多个连接节点对，但有限元模型不会对中介轴承的个数进行区分，它们在模型中都表现为连接节点对。

中介轴承单元模型可以是弹簧单元模型、弹簧-阻尼单元模型以及接触单元模型等。无论哪种单元模型，附属于中介轴承单元的高压转子及低压转子的连接节点都必须手动设置。这导致连接节点经常因人为疏忽而产生错误。

在手动设置中介轴承单元节点时，中介轴承单元节点分别属于高压转子和低压转子轴段部件，单个或多个联接的轴段部件，可形成高压转子或低于转子轴组件。两个转子轴组件中的中介轴承连接节点对应的转速、部件单元质量、刚度及陀螺矩阵均不同，又因中介轴承单元模型由连接节点对组成，这要求高压转子及低压转子连接节点的几何建模具备防错能力。

同时，中介轴承是高压转子及低压转子非线性振动的影响因素之一，连接节点几何参数设置不当可能会引起非线性微分方程无法收敛、结果发散、计算结果不可靠等问题。对复杂的双转子系统，连接节点的几何属性如所属部件、几何坐标、单元信息等应仔细检查，避免连接节点几何参数设置不当引起的有限元模型缺陷。

目前的转子动力学有限元软件如Ansys、Samcef、HyperMesh等，均具有一定的几何检查功能，但几何检查主要针对单元网格，目的是优化梁、面及体这类部件单元的尺寸、拓扑结构等，使单元形状匹配单元插值形函数，获得更为精确且收敛的计算结果。而转子中介轴承单元为连接单元，不存在网格划分及拓扑结构，因此多数商业软件无专门针对中介轴承的几何检查功能。

作为连接部件，中介轴承几何检查前，需对双转子结构的高、低压转子组件分解。目前的商业软件通过设定高、低压转子单元组件，将高、低压转子在模型上区分，从而便于不同转速载荷的施加。但是，组件的构成需手动设定，一个部件可隶属于多个组件，也可以施加多种转速载荷，导致高、低压转子单元组件易因人为疏忽分解错误，而目前商业软件对含中介轴承的双转子结构高、低压转子组件的分解合理与否无相应的几何检查。

因此，对这类广泛使用的、含中介轴承的航空发动机双转子系统，在高压转子及低压转子及中介轴承有限元单元模型建立后，有必要寻找一种几何检查方法，自动分解高、低压转子组件，并基于高压转子及低压转子组件判断中介轴承连接节点的合理性，但目前未有较好的相关几何检查方法的技术方案所公开。

发明内容

发明目的：本发明要解决的问题是提供一种双转子结构高压转子及低压转子连接节点的几何检查方法，解决如何能够自动分解高、低压转子轴组件，判断中介轴承连接节点的合理性的技术问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明可采用以下技术方案。

一种双转子系统高压转子及低压转子连接节点的检查方法，检查对象为不含静子部件、转子轴向方向平行于任一笛卡尔坐标系方向的双转子模型的高压转子及低压转子间连接节点；该检查方法包括以下步骤：

(1)导出双转子结构的网格模型数据，其中含有高压转子及低压转子的轴段部件、单元、节点及中介轴承数据；

轴段部件数据包括轴段部件编号，各轴段部件上的所有单元编号以及每个单元上的所有节点编号；

节点数据包括节点编号及其六自由度坐标值，六自由度坐标值依次为节点在笛卡尔坐标系OXYZ中X、Y、Z三个方向的坐标值以及节点绕X、Y、Z三个方向的角度坐标值；

中介轴承数据包括中介轴承编号及各中介轴承上两个连接节点编号；

(2)从轴段部件数据中，依次读取各个轴段部件编号及所含单元，然后根据单元数据读取该轴段的节点数据，提取出轴段部件编号、轴段部件包含的所有单元编号、单元包含的所有节点编号，所有节点的坐标值，构造轴段矩阵P，轴段矩阵P表达式为

q为属于高压转子及低压转子轴组件的轴段部件总个数；

p

P

I为元素全部为1的列向量；

L

e

m

n

N

(3)令i＝1，读取矩阵P中的子矩阵P

(4)令B＝B

(5)读取子矩阵P

(6)令

(7)若轴段P

(8)令i＝i+1，A

(9)令i＝1，构造集合D和E，令D＝C，E＝B，

(10)若D中的第i元素所代表的轴段编号为d

(11)判断E＝B是否成立，若不成立，转入步骤(12)，否则转入步骤(13)；

(12)重复步骤(9)～(11)；

(13)对集合B中的轴段，在所有轴段中查找X、Y、Z三个方向最大和最小坐标值，分别记为x

(14)对集合D中的轴段，在所有轴段中查找X、Y、Z三个方向最大和最小坐标值，分别记为x

(15)若s

(16)依次导出各中介轴承的两个连接节点，形成二维连接节点对矩阵K，表示为

c为中介轴承的个数；h

(17)令v＝1，构造不合理的连接节点对编号集合R和R

(18)对中介轴承的连接节点h

(19)令v＝v+1，R

(20)若v>c，判断集合

有益效果：对不含静子部件、转子轴向方向平行于任一笛卡尔坐标系方向的双转子模型，提供一种双转子结构高压转子及低压转子连接节点的几何检查方法。该方法专用于中介轴承连接的双转子结构建模，在连接节点被设定后，通过几何检查，可自动分解高、低压转子轴组件，判断中介轴承连接节点的合理性。

进一步的，中介轴承连接高压转子及低压转子，高压转子及低压转子的轴段部件无公共节点，利用了这一特性对高压转子及低压转子连接节点的合理性进行检查。

进一步的，以公共节点判断轴段部件的连接关系，利用各转子(高压或低压转子)包含的轴段部件相互联接、具备公共节点这一特点，通过检查所有轴段模型中单元的连接关系，将整个双转子系统模型分解为独立的高压和低压转子几何组件模型，便于各转子转速等载荷的施加。

进一步的，考虑了含中介轴承的航空发动机双转子结构特点，利用转子轴组件结构的轴向尺寸大于径向尺寸、低压转子长度大于高压转子长度这两个特性，实现了高、低压转子轴组件的区分，获得了各转子的轴段编号集合。

进一步的，结合高、低压转子轴组件区分结果，利用中介轴承单元两个连接节点分别处于高压和低压轴组件这一特性，实现了连接节点的几何检查，判断了连接节点的合理性，并输出了不合理连接节点对(单元)编号。

附图说明

图1为高低压转子与中介轴承连接关系；

图2为单个转子轴组件与轴段部件关系图，其中A1、A2为轴段部件，整体为轴组件；

图3为轴段部件与单元的关系；

图4为单元与节点的关系；

图5为几何检查简图；

图6为几何检查详细流程图；

图7为双转子网格模型数据示意图。

具体实施方式

本实施例为高压转子及低压转子间连接节点的几何检查方法。

请参考图1所示建立高低压双转子及中介轴承连接模型。转子轴向方向平行于X方向、低压转子含2个轴段部件、高压转子含2个轴段部件、仅含1个中介轴承。

轴段部件为单个转子轴组件上的各个轴段。例如，图2中低压转子轴组件包含两个轴段部件A1和A3，其中字母“A”表征轴段部件，其后的数字表示轴段部件编号。

每个轴段部件包含若干个单元。例如，图3中轴段部件A1包含E1、E2两个单元，轴段部件A3包含E3、E4、E5、E6四个单元，其中字母“E”表征单元，其后的数字表示单元编号。

每个单元包含若干个节点。例如，图4所示的单元E2包含N2和N3两个节点，其中字母“N”表征节点，其后的数字表示节点编号。

高压转子及低压转子间连接节点的几何检查方法流程简图及详细图示分别如图5和图6所示。具体步骤如下：

(1)请参考图7所示，导出双转子结构的网格模型数据，其中含有轴段部件、单元、节点及中介轴承连接节点数据信息。

轴段部件数据包括轴段部件编号，各轴段部件上的所有单元编号以及每个单元上的所有节点编号；

节点数据包括节点编号及其六自由度坐标值，六自由度坐标值依次为节点在笛卡尔坐标系OXYZ中X、Y、Z三个方向的坐标值以及节点绕X、Y、Z三个方向的角度坐标值；

中介轴承数据包括中介轴承编号及各中介轴承上两个连接节点编号。

(2)从轴段部件数据中，依次读取各个轴段部件编号及所含单元，然后根据单元信息读取该轴段的节点信息。提取出轴段部件编号、轴段部件包含的所有单元编号、单元包含的所有节点编号，所有节点的坐标值，构造轴段矩阵P，有

其中，对应于发明内容中的步骤(2)，有：

q＝4；

p

L

e

e

e

e

m

n

N

(3)令i＝1，读取矩阵P中的子矩阵P

(4)令B＝B

(5)读取子矩阵P

(6)令

(7)若轴段P

(8)令i＝i+1，A

说明：完成P

(9)令i＝1，构造轴段部件编号集合D和E，令D＝C，E＝B，

(10)若D中的第i元素所代表的轴段编号为d

(11)判断E＝B是否成立。因成立，转入如下步骤(12)。

(12)对集合B中的轴段，在所有轴段中查找X、Y、Z三个方向最大和最小坐标值，得

x

计算集合B中轴段在三个方向的跨度，得x

(13)对集合D中的轴段，在所有轴段中查找X、Y、Z三个方向最大和最小坐标值，得

x

计算集合D中轴段在三个方向的跨度，分别为x

(14)因s

(15)请参考图7，导出中介轴承的连接节点对，构造二维矩阵K，表示为

K＝[3 12]

对应于发明内容中的步骤(16)，有c＝1，h

(16)令v＝1，构造不合理的连接节点对编号集合R和R

(17)对中介轴承的连接节点h

(18)令v＝v+1，R

(19)因v>1，集合

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。