多失效模式大型压缩机转子系统的振动分析与可靠性稳健设计

摘要

旋转机械是应用最广泛、最重要的核心机械装置之一。离心压缩机是一种典型的旋转机械，在能源、化工、航空航天及汽车工业等重要基础工业中发挥着越来越重要的作用。
　　本文根据离心压缩机在国产化道路上所面临的问题，提出了将可靠性灵敏度设计及可靠性稳健优化设计等当代设计方法应用于产品设计制造过程中的新思路，以达到设计出满足不同加工和使用条件下都能够达到实际工作要求的高性能、高可靠性的产品的目的。基于此，本文主要做了以下工作:
　　1.详细阐述了随机复杂转子系统的动力学与可靠性稳健优化设计的理论体系和基本框架，描述了大型压缩机转子系统振动分析、结构系统可靠性稳健优化设计的主要任务和基本内容。
　　2.提出了以三维几何建模软件、有限元分析软件和多体动力学仿真软件为平台的转子系统三维动态响应综合分析方法，建立了参数化刚柔混合非线性转子动力学模型，通过添加适当的约束，合理地简化了油膜、扭矩、工作转速等影响系统可靠性的性能参数，对转子系统进行了刚柔混合动力学仿真分析。最后，识别出大型直联转子系统的主要失效模式，分析了转轴的动态应力响应特性。
　　3.基于转子动力学的相关理论建立了通用的斜齿轮弯—扭—轴—摆全自由度耦合动力学模型，提出了一种新型的联轴器建模方式，建立了不同耦合形式、不同激励形式、不同联轴器建模形式下的系统有限元模型，根据PTA装置齿轮耦合压缩机转子系统的动力特性，定性分析了主动轴的旋转方向、主动轴的选择、螺旋角、啮合刚度、啮合阻尼、方位角、轴承刚度等多个参数对系统动力学特性的影响。最后，根据不平衡响应结果识别出系统的主要失效原因，建立了碰摩失效模式和共振失效模式，为进一步的可靠性及可靠性稳健优化设计提供指导。
　　4.将人工神经网络技术融入到可靠性设计中，训练后的神经网络模型代替有限元模型从而提高了复杂转子系统的计算效率。结合随机摄动技术、可靠性设计和可靠性灵敏度设计相关理论，建立了动态应力可靠性模型，提出了对具有复杂结构的非线性转子系统的可靠性灵敏度设计的新方法，研究了设计参数的改变对转子系统可靠性的影响，得到了可靠性对基本随机变量均值和方差的灵敏度，将各个基本随机变量对可靠性的影响程度进行了排序，得出了分析结论并为产品设计阶段提供理论指导。
　　5.阐述了可靠性优化设计、可靠性稳健设计的相关理论及推导公式，基于多平行轴齿轮转子系统动力学特性分析结果，定量给出对系统影响较大的基本随机变量，确立了转子系统的两种失效模式:碰摩失效模式和共振失效模式，建立可靠性（失效）模型，将对复杂转子系统进行了可靠性设计和可靠性灵敏度设计，在基本随机变量是混合变量的情况下对其灵敏度进行了无量纲化，将基本随机变量对可靠性的影响程度进行了排序，提取出对可靠性影响较大的参数，在保证一定可靠度前提的基础上，对随机结构系统进行可靠性稳健优化设计，使得这些参数对系统的可靠度变的不再敏感，从可靠性意义上提高系统的稳定性，为工程实际提供一些理论参考。
　　6.研究了具有相关性的齿轮转子系统的可靠性设计与可靠性灵敏度设计问题。在已有文献的基础上，基于二阶窄界限理论定量地给出了相关系统的可靠度，推导了系统可靠度对基本随机变量均值和方差的灵敏度，将可靠性和可靠性灵敏度技术成功地应用于.具有相关性的复杂转子系统中。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文背景与研究意义

1．2 国内外发展与研究现状

1．2．1 转子系统动力学的发展历史与研究方法概述

1．2．2 齿轮转子系统动力学研究现状

1．2．3 转子动力学理论在离心压缩机转子系统中的应用现状

1．2．4 结构与系统可靠性研究现状

1．2．5 可靠性灵敏度研究现状

1．2．6 可靠性稳健设计研究现状

1．2．7 转子系统可靠性研究现状

1．3 论文的主要研究内容与结构

1．4 小结

第2章 大型直联压缩机转子系统的动态应力特性分析

2．1 引言

2．2 参数化有限元模型固有特性对比分析

2．2．1 系统工作原理及参数化模型的建立

2．2．2 系统固有特性的对比与验证

2．3 基于虚拟样机技术的刚柔混合转子系统动态响应分析

2．3．1 刚柔混合转子系统模型建立

2．3．2 动力学仿真过程控制

2．3．3 转子系统的动态应力响应特性分析

2．4 本章小结

第3章 齿轮耦合压缩机转子系统的动力特性分析

3．1 引言

3．2 齿轮耦合动力学模型推导

3．2．1 考虑不平衡激励的直齿轮啮合模型

3．2．2 考虑静态传递误差的斜齿轮啮合模型

3．2．3 考虑齿轮不平衡及静态传递误差的通用斜齿轮啮合模型

3．2．4 啮合刚度和啮合阻尼的确定

3．3 简单齿轮转子系统的对比与验证

3．3．1 多工况下多平行轴系的固有特性计算

3．3．2 传递误差激励下的动力响应计算

3．3．3 齿轮偏心不平衡激励下的动力响应计算

3．4 系统有限元模型的建立

3．4．1 不同耦合形式的齿轮有限元建模

3．4．2 不同联轴器的有限元建模

3．4．3 齿轮转子系统的有限元模型

3．5 系统的固有特性分析

3．5．1 扭转固有特性分析

3．5．2 系统弯曲耦合固有特性分析

3．5．3 系统弯扭全自由度耦合固有特性分析

3．5．4 小结

3．6 系统的响应特性分析

3．6．1 不平衡量的大小及位置的确定

3．6．2 考虑齿轮耦合前后系统响应的对比

3．6．3 不同耦合形式下的瞬态响应不平衡曲线

3．6．4 不同联轴器形式下系统不平衡响应计算

3．6．5 系统安全裕度校核

3．6．6 齿轮转子系统基本参数对响应的影响

3．7 本章小结

第4章 直联转子系统的可靠性与可靠性灵敏度设计

4．1 引言

4．2 基于四阶矩技术的动应力可靠性模型

4．3 具有强非线性状态方程的可靠性灵敏度设计理论

4．3．1 可靠性灵敏度理论

4．3．2 灵敏度公式的修正

4．3．3 灵敏度无量纲化

4．4 基于人工神经网络技术的可靠性求解

4．4．1 基于ISIGHT软件的实验设计方法

4．4．2 非线性极限状态方程模拟

4．5 具有强非线性状态方程的可靠性灵敏度求解

4．5．1 线性系统的可靠性灵敏度对比

4．5．2 强非线性系统的可靠性灵敏度对比

4．6 小结

第5章 齿轮耦合转子系统的可靠性稳健优化设计

5．1 引言

5．2 基于碰摩失效模式下的可靠性设计

5．2．1 可靠性模型

5．2．2 可靠性及可靠性灵敏度求解

5．2．3 可靠性优化设计

5．2．4 可靠性稳健设计

5．3 基于共振失效模式下的系统可靠性设计

5．3．1 可靠性模型

5．3．2 可靠度及可靠性优化设计

5．3．3 可靠性灵敏度及可靠性稳健设计

5．4 本章小结

第6章 具有相关性的系统可靠性与可靠性灵敏度设计

6．1 引言

6．2 系统可靠性与可靠性灵敏度理论

6．2．1 独立系统的可靠性与可靠性灵敏度计算方法

6．2．2 相关系统的可靠性与可靠性灵敏度计算方法

6．3 零件失效相关的系统可靠性设计

6．3．1 任意分布参数的可靠性设计

6．3．2 任意分布参数系统灵敏度设计

6．4 失效模式相关的系统可靠性与可靠性灵敏度设计

6．5 小结

第7章 结论与展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的论著和科研、获奖情况

作者简介