一种流体载荷与振动载荷直接耦合的应力仿真方法

摘要

本发明公开了一种流体载荷与振动载荷直接耦合的应力仿真方法，包括：将振动载荷的频域信号转换为时域信号，再将时域信号从单周期拓展为多周期，得到长时间时域信号；采用有限元分析软件对温度传感器进行建模并完成前处理；进行速度、温度、压力和振动四种环境载荷的直接耦合仿真，得到整个仿真时间内温度传感器整体结构的应力分布。基于本发明提出的四种载荷直接耦合的仿真方法得到的温度传感器的综合应力仿真，能够实现在长时间多种环境载荷的直接耦合仿真，获得温度传感器在长时间下的应力、应变及其形变的变化情况，以及温度传感器薄弱位置的应力积累情况。

说明书

技术领域

本发明属于恶劣环境下温度传感器的可靠性分析领域，具体是一种燃气轮机内部相应温度、速度、压力的流体与振动耦合的一种多载荷综合应力仿真方法。

背景技术

燃气轮机用热电偶温度传感器具有较好的优点，主要应用于航空、航天与舰船发动机的检测等复杂恶劣环境，这种温度传感器工作过程主要在恶劣的复杂环境中，对温度传感器的使用性能、成本及寿命有较大的影响，而且会影响燃气轮机和发动机的可靠性。

温度传感器工作的环境可能同时存在高温、高压、高速度以及振动等多种环境，通过实际环境测试评估温度传感器的可靠性变得极为困难。在实际的测试环境中，只能进行三种环境载荷的耦合测试，比如温度与压力与速度耦合，目前还不能进行振动应力之间的耦合测试，因此，多种载荷耦合的仿真方法变得极为重要。

ANSYS workbench软件能够用于对复杂机械系统的结构静力学、结构动力学、刚体动力学、流体动力学、结构热、电磁场以及耦合场等进行分析模拟，但该软件自身还存在很多不足之处，需要改进和优化：

首先，在频域的仿真中只能采取有预应力的模态与振动的耦合方式，有预应力的模态与振动的耦合方式是在有温度、压力和速度载荷影响下的振动仿真，只能得到有温度、压力与速度影响下的振动仿真结果，其中，温度、压力以及速度会影响振动结果；但是不能得到温度、压力、速度和振动共同作用的仿真结果；采取有预应力的模态与振动的耦合方式来获得振动的最大响应，无法得到长时间下温度传感器处于四种应力下的应力应变情况，且模态与振动的耦合仿真方法只能得到一个粗略的结果。

其次，模态与振动耦合的仿真方式中载荷施加的边界条件和静态仿真中温度与压力的载荷施加边界条件存在冲突，温度传感器综合应力仿真中，温度、压力与速度的仿真采用温度传感器结构的螺纹面固定的约束方式，这与实际的工作环境相近；对于振动的仿真，一般采用固定的约束方式，但是采用温度传感器螺纹处固定的约束方式，很难模拟同时具有温度、压力、振动等环境载荷下温度传感器的实际边界情况。

最后，采取有预应力的模态与振动的耦合方式难以导出初始应力文件，该初始应力文件主要用于静态仿真中与温度、压力与速度进行间接耦合。目前只能采用工况叠加的方式来进行四种应力的结果叠加，工况叠加的方式带来了较大的方法误差，这种方式是多种载荷仿真结果的叠加，不能体现出各种载荷相互影响下的结果。根据以上分析可知，具有预应力模态与振动的耦合方式的边界约束、多种环境应力的间接耦合导致方法误差和频域如何导出初始应力文件成为一个亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种流体载荷与振动载荷直接耦合的应力仿真方法。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种流体载荷与振动载荷直接耦合的应力仿真方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步、将振动载荷的频域信号转换为时域信号，再将时域信号从单周期拓展为多周期，得到长时间时域信号；

第二步、采用有限元分析软件对温度传感器进行建模并完成前处理；

第三步、进行速度、温度、压力和振动四种环境载荷的直接耦合仿真，得到整个仿真时间内温度传感器整体结构的应力分布。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本发明采用频域信号向时域信号的转换、时域信号的拓展、基于ANSYSworkbench建立温度传感器模型及前处理、四种环境载荷施加及耦合仿真条件设置、仿真求解和结果的后处理及分析等步骤，多种载荷的耦合仿真就是综合应力仿真，基于本发明提出的四种载荷直接耦合的仿真方法得到的温度传感器的综合应力仿真，能够实现在长时间多种环境载荷的直接耦合仿真，获得温度传感器在长时间下的应力、应变及其形变的变化情况，以及温度传感器薄弱位置的应力积累情况。

(2)本发明能够实现目前温度传感器可靠性试验无法完成的温度、压力、速度和振动的直接耦合分析，为多种环境载荷长时间作用的温度传感器结构设计和可靠性评估提供指导。

(3)本发明为了克服有预应力的模态与振动的耦合方式的边界约束和温度、压力与速度耦合仿真的边界约束的冲突。通过matlab工具，采用频域信号转化成时域信号的方式，把功率谱转换成加速度的时域信号，再把时域信号进行多周期的拓展来完成长时间的综合应力的仿真，载荷的作用时间远远大于单周期时域信号的时间长度，通过仿真能够从总体上把握应力、应变和形变在三种环境载荷耦合且长时间作用下变化规律，并获得在长时间多种环境载荷作用下温度传感器的薄弱位置的应力的积累情况以及温度传感器在时间历程中的仿真结果的极大值，实现可靠性试验无法实现的振动、压力和温度的耦合分析。

(4)本发明为了克服频域下的振动仿真难以直接导出初始应力文件的问题，采用时域上温度、压力、速度和振动直接耦合的方式，避免频域仿真初始应力文件导出的复杂性以及四种载荷间接耦合带来的方法误差。

(5)本发明提出的仿真方法具有更高的精确度，时域的仿真结果相对于频域求出的最大响应结果更加精确，同时克服了频域仿真不能得到长时间下温度传感器结构的应力积累的问题。

附图说明

图1为本发明将随机振动功率谱转换成时域信号的波形图；

图2为本发明将随机振动功率谱换成的时域信号恢复成频域信号的比较图；

图3为本发明的温度传感器结构及温度、压力和振动载荷施加方式的模型图。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种流体载荷与振动载荷直接耦合的应力仿真方法(简称方法)，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步、将振动载荷的频域信号转换为时域信号并作为振动载荷施加在温度传感器上，再将时域信号从单周期拓展为多周期；

优选地，第一步中，将振动载荷的频域信号转换为时域信号的具体方法为：

步骤1、采用matlab软件，将随机振动的功率谱、冲击谱、正弦振动谱等频谱信号转换为时域信号；

步骤2、将时域信号恢复为随机振动的频谱信号；

步骤3、判断恢复前的时域信号与恢复后的随机振动的频谱信号是否一致；若一致则将转换后的时域信号导出，否则转到步骤1。本实施例中，是否一致的判断标准为：是否满足容差为±2dB的要求。

本实施例中，当频谱信号采用随机振动的功率谱，时域信号采用加速度信号时，由图1和2可以看出，随机加速度波形图恢复的随机振动功率谱与原来的功率谱几乎达到一致，满足容差为±2dB的要求。其具体方法为：

对功率谱曲线进行离散化处理，在功率谱曲线的因变量频域上采集n个频率点，n常取频域的带宽长度N，每个频率点都有其对应的功率谱，根据功率谱的定义，对其进行如式(1)所示的处理：

式(1)中，a(f)为某一频率点的加速度值，w(f)为该频率点的功率谱值，N为带宽长度，fc为采集频率；

经过式(1)的处理后可以得到每一个频率点所对应的加速度值，最终可以得到加速度随频率变化曲线。

在该频率点上将其功率谱转化为加速度随频率变化曲线后，再将该加速度随频率变化曲线转化为加速度随时间变化曲线。根据傅里叶变换的基本公式如式(2)所示：

可将时域信号转换为频域信号，其逆变换可将频域信号转换为时域信号，如式(3)所示：

式(3)中，f(t)为信号的时域函数，在本文中特指激励载荷加速度随时间的变化曲线，F(w)为信号的频域函数，在本文中特指激励载荷加速度随频率的变化曲线。

优选地，第一步中，时域信号的周期拓展主要为了仿真温度传感器在振动载荷长时间作用下的应力积累情况，主要采用循环语句控制时域信号的拓展，分别对信号的时间和信号的振幅信号进行拓展，将拓展后的时域信号导出。将时域信号从单周期拓展为多周期的具体方法为：

步骤1、将周期为毫秒的量级的单周期时域信号进行信号分离，得到单周期时间数组和单周期振幅数组；

所述时域信号包括时间信号与振幅信号；振幅信号包括加速度信号、速度信号和位移信号；

步骤2、利用matlab循环语句将单周期时间数组的时间长度进行拓展并存放到时间矩阵中，利用matlab循环语句将单周期振幅数组的振幅进行周期性拓展并存放到振幅矩阵中；

步骤3、将时间矩阵转换为多周期时间数组，将振幅矩阵转换为多周期振幅数组；

步骤4、将多周期时间数组和多周期振幅数组一一对应进行信号聚合，得到长时间时域信号。

第二步、采用ANSYS workbench有限元分析软件对温度传感器进行建模并完成前处理；

采用ANSYS workbench有限元分析软件对温度传感器的结构进行建模和仿真，采用Transient Structure模块，完成仿真的前处理。

优选地，第二步中，对温度传感器模型进行前处理包括导入温度传感器模型、划分网格、设置接触对以及设置温度传感器约束条件。

第三步、采用Transient Structure模块，采用载荷施加的时间顺序，进行速度、温度、压力和振动四种环境载荷的直接耦合仿真，设置仿真的求解步长数为4，包括4个求解步：

第1求解步：根据燃气轮机内部实际流场条件，在ANSYS Workbench中的Fluent模块中设置流体的速度载荷和温度载荷，然后将Fluent模块与力学模块级联构成流固耦合，再通过流固耦合将速度载荷和温度载荷传递到温度传感器与流体的接触面上；

为了得出极端恶劣情况下温度传感器的性能变化结果，温度载荷选择温度传感器工作的最大温度，压力载荷选择温度传感器满量程输出时的最大压力，速度载荷为燃气轮机内部流体的最大速度。

第2求解步的步长设置为施加温度载荷、压力载荷与速度载荷达到稳定需要的时间，第2求解步的子步数为1；

第3求解步的步长设置为第2求解步的步长与第一步得到的长时间时域信号的时间长度之和；根据第3求解步中子步的步长设置第3求解步的子步数，第3求解步的子步步长不大于长时间时域信号变化的最小时间长度；

优选地，第3求解步子步的最大时间长度与长时间时域信号变化的最小时间长度相等，保证仿真不出现失真；

第4求解步：将压力载荷施加在整个温度传感器上，将第一步得到的长时间时域信号作为振动载荷施加在温度传感器的螺纹固定处来模拟振动环境应力，进行直接耦合仿真，得到整个仿真时间内温度传感器整体结构的应力分布。

压力载荷、速度载荷和温度载荷的加载时间一致，压力载荷和温度载荷的稳定时间相同；

由于载荷的施加是在整个求解过程中，因此，需要在第1求解步将时域信号的振幅信号值指定为0。温度载荷施加在如图3所示的整体的温度传感器上，压力载荷施加在温度传感器的保护探头上，振动载荷施加在温度传感器的螺纹固定处。

优选地，对第三步得到的整个仿真时间内温度传感器整体结构的应力分布进行后处理得到温度传感器在温度、压力、速度与振动四种载荷耦合下的仿真最大值，具体步骤如下：

1)根据第三步得到的整个仿真时间内温度传感器整体结构的应力分布找到温度传感器薄弱点；

2)获得温度传感器薄弱点在整个仿真时间内的应力变化情况；

3)找到温度传感器薄弱点应力积累最大的时刻；

4)获得温度传感器薄弱点应力积累最大时刻对应的温度传感器的整体应力、应变和形变结果，得到温度传感器在温度、压力、速度、振动四种载荷耦合下的仿真最大值。

其中获得薄弱位置的应力积累的主要步骤如下：

①获得温度传感器整体结构或者部件的应力分布。

②通过指针的方式找到温度传感器的薄弱位置的最大应力处。

③建立相应的坐标点。

④获得该坐标处的应力在时间历程中变化情况。

获得温度传感器在时间历程中最大的仿真结果的主要步骤如下：

①找到温度传感器整体结构在时间历程中应力、应变和形变最大的时间点。

②导入该时间点的结果。

③得到温度传感器在四种载荷的耦合下仿真最大值。

为了观察温度传感器在最极端环境下出现的最糟糕的情况，可以观察温度传感器薄弱点的应力积累情况，找到仿真过程中应力积累最大时的温度传感器的整体的应力、应变和形变的情况，即最大的仿真结果。所述最大的仿真结果能够体现在综合应力环境中温度传感器出现的最坏的情况，对这个极值进行综合应力分析，主要分析这个最大的仿真结果对温度传感器的性能影响。

本发明未述及之处适用于现有技术。