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高速柔性转子系统动力特性稳健设计方法

洪杰 杨哲夫 吕春光 马艳红

洪杰, 杨哲夫, 吕春光, 等 . 高速柔性转子系统动力特性稳健设计方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(5): 855-862. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0492
引用本文: 洪杰, 杨哲夫, 吕春光, 等 . 高速柔性转子系统动力特性稳健设计方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(5): 855-862. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0492
HONG Jie, YANG Zhefu, LYU Chunguang, et al. Robust design method for dynamic properties of high-speed flexible rotor systems[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(5): 855-862. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0492(in Chinese)
Citation: HONG Jie, YANG Zhefu, LYU Chunguang, et al. Robust design method for dynamic properties of high-speed flexible rotor systems[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(5): 855-862. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0492(in Chinese)

高速柔性转子系统动力特性稳健设计方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0492
基金项目: 

国家自然科学基金 51575022

国家自然科学基金 11672017

详细信息
    作者简介:

    洪杰 男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:航空发动机转子动力学、航空发动机整机动力学、旋转机械振动控制、智能结构与新型阻尼材料等

    马艳红 女, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:航空发动机整机动力学、旋转机械振动控制、智能结构与新型阻尼材料等

    通讯作者:

    马艳红, E-mail:mayanhong@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V231.96

Robust design method for dynamic properties of high-speed flexible rotor systems

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51575022

National Natural Science Foundation of China 11672017

More Information
  • 摘要:

    高速柔性转子系统为控制其转子变形和多阶临界转速分布,常采用多支点支承方案,而转子-支承结构力学参数的分散性,使得转子动力特性设计成为多变量多目标非确定性优化问题。通过Lagrange法建立柔性转子运动方程,定义罚函数以定量描述多阶临界转速的分布特征,采用区间数学分析方法和遗传算法结合的方式,建立了基于临界转速分布特征优化及连接结构刚度损失控制的转子系统动力特性稳健设计方法。算例表明,通过将多阶临界转速集中于一定转速区间,并控制连接结构弯曲应变能分布比例,可有效减小转子通过多阶临界转速时的振动响应,降低转子动力特性对连接结构受力状态变化的敏感度,提高高速柔性转子系统动力特性的稳健性。

     

  • 图 1  典型高速柔性转子系统非确定动力学模型

    Figure 1.  Uncertain dynamic model of typical high-speed flexible rotor system

    图 2  高速柔性转子系统动力特性稳健设计思路

    Figure 2.  Robust design concept of dynamic properties of high-speed flexible rotor systems

    图 3  罚函数图形

    Figure 3.  Graph of penalty function

    图 4  高速柔性转子系统动力特性稳健设计流程

    Figure 4.  Robust design process for dynamic properties of high-speed flexible rotor systems

    图 5  三支点高速柔性转子系统结构示意图

    Figure 5.  Schematic of three-support high-speed flexible rotor system structure

    图 6  目标函数的优化过程

    Figure 6.  Optimization process of objective function

    图 7  不同支点刚度组合下的Campbell图

    Figure 7.  Campbell diagram under different support stiffness combinations

    图 8  不同支点刚度组合下的支点动载荷

    Figure 8.  Support dynamic load under different support stiffness combinations

    表  1  算例转子系统参数

    Table  1.   Parameters of example rotor system

    参数数值
    轴段密度/(kg·m-3)7 820
    轴段弹性模量/GPa195
    轴段内径/m0.006
    轴段外径/m0.022
    转子总长/m0.598
    风扇等效集中质量/kg3.583
    风扇绕轴线转动惯量/(kg·m2)0.024
    涡轮等效集中质量/kg3.135
    涡轮绕轴线转动惯量/(kg·m2)0.017
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    表  2  优化参数选取

    Table  2.   Choice of optimization parameters

    参数数值
    支承刚度分散度β/%5
    临界转速分布罚函数幅值Ai, j1
    临界转速分布罚函数标准差εi, j2 400
    临界转速分布罚函数中值的关注系数αi, j1
    临界转速安全系数λ1/%20
    连接结构应变能稳健系数λ2/%2
    遗传算法初代样本数100
    遗传算法子代样本数20
    遗传算法的可容忍收敛误差/%2
    注:i, j=1, 2, 3, 4。
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    表  3  不同支点刚度组合及其临界转速

    Table  3.   Different support stiffness combinations and their critical speeds

    方案
    前支点刚度
    中值/(N·
    mm-1)
    中支点刚度
    中值/(N·
    mm-1)
    后支点刚度
    中值/(N·
    mm-1)
    第一阶
    临界转速/
    (r·min-1)
    第二阶
    临界转速/
    (r·min-1)
    第三阶
    临界转速/
    (r·min-1)
    第四阶
    临界转速/
    (r·min-1)
    连接结构
    应变能
    比例上限/%
    初始方案20 25042 6941 9556 771±14616 323±59722 748±62151 849±3011.15
    最优方案9 7502 8588 72313 300±12015 479±17815 594±22450 353±71.93
    注:连接结构应变能比例上限为工作转速范围内的应变能比例最大值。
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-08-29
  • 录用日期:  2018-12-21
  • 刊出日期:  2019-05-20

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