【正文】 今日長(zhǎng)纓在手，明日縛住蒼龍。我所學(xué)的知識(shí)，特別是在機(jī)械專業(yè)方面的知識(shí)還剛剛是打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)，學(xué)無(wú)止境，還有很多問(wèn)題需要我去研究，去探索。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)習(xí)了許多新的知識(shí)，也遇到了許多實(shí)際性的問(wèn)題，但最終通過(guò)老師和同學(xué)的幫助及自己的努力探索，最終解決諸多問(wèn)題，積累了寶貴的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并感受到了機(jī)械設(shè)計(jì)這門學(xué)科的嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的風(fēng)格與博大精深的魅力。 歷時(shí)三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作現(xiàn)在已經(jīng)基本上結(jié)束了。這些方面，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，還需要進(jìn)一步研究。本試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)也僅僅是在軸承的選擇上考慮到其不同，對(duì)于其他方面，并沒(méi)有做深入研究。 展望 本課題研究了壓氣機(jī)的葉盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的碰摩問(wèn)題，設(shè)計(jì)了立式的試驗(yàn)臺(tái)。最后利用ADAMS仿真軟件對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，研究試驗(yàn)臺(tái)正常工作時(shí)，機(jī)匣葉片之間的碰撞力，以及葉片頂端中點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。本課題利用二維及三維軟件，對(duì)立式葉盤轉(zhuǎn)子碰摩測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)并建模，其中主要是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。隨著大型機(jī)組向著高性能、高效率發(fā)展，動(dòng)靜間隙變小，碰摩的可能性也隨之增加。機(jī)匣與葉片相碰撞的距離及其仿真結(jié)果，也為本試驗(yàn)臺(tái)的正確使用提供了依據(jù)。 小結(jié)本章運(yùn)用ADAMS仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，其中包括柔性體葉片和剛體葉片兩種不同的葉片。這些數(shù)據(jù)均說(shuō)明在發(fā)生碰摩時(shí)，剛體葉片容易損壞，驗(yàn)證了柔性體葉片的優(yōu)點(diǎn)。而柔性體葉片仿真中，葉片所受力大約為N，所受力矩大約為N/m左右。本仿真中，剛體葉片受到的力大約為N，所受力矩大約為N/m。 Marker 1的角速度。 柔性葉片所受力。需要注意的是，添加接觸力時(shí)，在Create Contact彈出框中Contact Type下需要選擇Flex Body to Solid。在Adams 2012中，Bodies工具欄下，F(xiàn)lexible Bodies里面就有Rigid to Flex工具，可以很方便的將剛性體轉(zhuǎn)成柔性體。 剛體葉片所受力矩Marker 。點(diǎn)擊開始，進(jìn)行仿真計(jì)算[11]。這是為了研究此點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。選擇Force工具欄下的Create a contact，點(diǎn)選葉片和機(jī)匣，分別為4個(gè)葉片與機(jī)匣添加接觸力。本次仿真中，設(shè)置轉(zhuǎn)速為18000d*time，即3000r/min。選擇Create a translational joint，點(diǎn)選機(jī)匣與導(dǎo)軌，添加移動(dòng)副。比如，分別將電機(jī)箱和操作臺(tái)與地面固定，葉片與葉盤固定，滑臺(tái)與操作臺(tái)固定，等等。以此設(shè)置密度：、楊氏模量：+11牛/平方米、泊松比：。在該對(duì)話框中，Category選項(xiàng)選擇Mass Properties，而在Define Mass By中選擇Geometry and Material Type，以該形式選擇材料屬性。 （3）對(duì)每個(gè)實(shí)體設(shè)置材料屬性 在Edit對(duì)應(yīng)的下拉菜單下選擇Modify，在彈出的對(duì)話框中雙擊對(duì)稱的裝配體模型文件名，需要將所有顯示出來(lái)的Part對(duì)其進(jìn)行材料屬性的設(shè)置。有4種布爾運(yùn)算方式：Union(并集)、Intersection(交集)和Subtraction(差集，包括AB和BA兩種)。并由二維布爾運(yùn)算發(fā)展到三維圖形的布爾運(yùn)算。布爾是英國(guó)的數(shù)學(xué)家，在1847年發(fā)明了處理二值之間關(guān)系的邏輯數(shù)學(xué)計(jì)算法，包括聯(lián)合、相交、相減。為了便于操作和觀察，調(diào)整箱體透明度。 對(duì)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)用ADAMS進(jìn)行剛體運(yùn)動(dòng)仿真 （1）導(dǎo)入 將用Solidworks建立好的三維模型另存為Parasolid格式，打開AdamsView，在File菜單下選擇Import導(dǎo)入，然后點(diǎn)擊View菜單下的Refresh，可以看到導(dǎo)入的三維模型的線框圖。同時(shí)多體系統(tǒng)分析方法可與有限元技術(shù)和模態(tài)分析方法結(jié)合，隨著有限元技術(shù)和模態(tài)分析處理方法的成熟，設(shè)計(jì)者可以加入車輛柔性體彈性變形部分的影響，進(jìn)一步深入討論具體的動(dòng)力學(xué)模型，較全面地模擬動(dòng)力學(xué)性能，為各種新型的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)提供可靠的依據(jù)。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)作為動(dòng)力學(xué)仿真的一種新方法，目前已在工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。2)傳統(tǒng)的方法是：建立模型—推導(dǎo)方程—編制計(jì)算機(jī)程序—軟件調(diào)試—分析待解決的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，一旦研究的對(duì)象或內(nèi)容發(fā)生變化，便不得不重新建立模型，或者修改原模型，這種方法需要耗費(fèi)大量的人力物力，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前的科技與生產(chǎn)發(fā)展的需要。隨著工業(yè)的發(fā)展，研究的動(dòng)力學(xué)模型越來(lái)越復(fù)雜，構(gòu)造動(dòng)力學(xué)方程時(shí)，將面臨十分繁重的代數(shù)和微分運(yùn)算，并且極易出錯(cuò)，手工推導(dǎo)已很難勝任。其包括多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，是研究多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。通過(guò)頻率響應(yīng)圖，確定共振頻率，然后就可以采取方法避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。模態(tài)分析分析出了葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前八階固有頻率，生成了系統(tǒng)各階模態(tài)振型。然后將其導(dǎo)入ANSYS軟件，對(duì)該系統(tǒng)的固有特性進(jìn)行分析，分別進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析。共振時(shí)振幅陡增，會(huì)對(duì)機(jī)械零件產(chǎn)生很大的損壞，為了防止共振所產(chǎn)生相當(dāng)大的動(dòng)應(yīng)力，造成葉輪葉片損壞，結(jié)構(gòu)失效，通過(guò)調(diào)整激振力作用效果，采取減振措施，必須要盡量避免諧振狀態(tài)。 激振頻率與固有頻率對(duì)應(yīng)表頻率(Hz)一階二階三階四階五階六階七階八階峰值頻率 6106106106101940194019401940固有頻率 　 在0~2000Hz的范圍內(nèi)，振幅隨頻率變化產(chǎn)生兩個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)的激振頻率值與模態(tài)分析中固有頻率值相似，所以，當(dāng)激振頻率與固有頻率相同時(shí)，產(chǎn)生共振(又稱諧振)現(xiàn)象。 諧響應(yīng)分析約束載荷圖。(5) 指定所要求諧分析選項(xiàng)，設(shè)置諧分析選項(xiàng)(6) 求解模型(7) 查看結(jié)果 利用ANSYS對(duì)轉(zhuǎn)子諧響應(yīng)分析的結(jié)果在諧響應(yīng)分析中，材料屬性和網(wǎng)格劃分不變，具體見靜強(qiáng)度分析；分析前在垂直于葉片的方向上加一個(gè)激振力，最大為600N，頻率為2000Hz，進(jìn)行諧響應(yīng)分析。將式(415)和(416)代入(412)式,整理得: (312)則有： (313)因此各模態(tài)對(duì)應(yīng)的位移響應(yīng)為： (314)所以得： (315)其中Φ為特征方程所對(duì)應(yīng)的特征向量[14]。在共振的情況下,葉輪的動(dòng)應(yīng)力主要由共振激振力引起,因此激振力表示為 (34)將(49)式、(410)式代入(47)式并整理得: (35)即葉輪諧響應(yīng)分析的動(dòng)力學(xué)基本方程為: (36)(3)葉輪諧響應(yīng)分析的模態(tài)方程為將物理坐標(biāo)表示的動(dòng)力學(xué)方程(47)式解耦,須將其轉(zhuǎn)換到模態(tài)坐標(biāo)系,一般的動(dòng)力學(xué)方程在模態(tài)坐標(biāo)系下的方程為: r=1,2,……,N (37)初始條件為 (38)其中: r =1,2,……,N (39)就叫做與第r階模態(tài)相應(yīng)的主坐標(biāo), 為第r階模態(tài)的圓頻率, 為阻尼比。在葉輪設(shè)計(jì)時(shí),一般都要使葉片的固有頻率避開激振力頻率,以避免由于共振產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力。(2)葉輪諧響應(yīng)分析動(dòng)力學(xué)方程根據(jù)葉輪結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),可將其系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的基本方程表示為: (31)初始條件為: (32)其中,、分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣, 、分別為節(jié)點(diǎn)的加速度向量、速度向量、位移向量,為激振力向量。在一般的動(dòng)力分析中，模態(tài)疊加法是最切實(shí)有效的。用模態(tài)疊加的諧響應(yīng)分析法計(jì)算葉輪動(dòng)應(yīng)力分為3個(gè)步驟:：(1)計(jì)算葉輪的動(dòng)頻；(2)由模態(tài)疊加的諧響應(yīng)分析計(jì)算葉輪位移的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；(3)由擴(kuò)展分析計(jì)算葉輪應(yīng)力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，求得葉輪的動(dòng)應(yīng)力。諧響應(yīng)分析使設(shè)計(jì)人員能預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)動(dòng)力特性,從而使設(shè)計(jì)人員能夠驗(yàn)證其設(shè)計(jì)能否成功地克服共振、疲勞,及其它受迫振動(dòng)引起的有害效果。從這些曲線上可以找到“峰值”響應(yīng),并進(jìn)一步觀察峰值頻率對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按正弦(簡(jiǎn)諧)規(guī)律變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)。六至八階模態(tài)振型則表現(xiàn)為一個(gè)葉片的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。(a) 第一階固有頻率振動(dòng)變化云圖(b) 第二階固有頻率振動(dòng)變化云圖(c) 第三階固有頻率振動(dòng)變化云圖(d) 第四階固有頻率振動(dòng)變化云圖(e) 第五階固有頻率振動(dòng)變化云圖(f) 第六階固有頻率振動(dòng)變化云圖(g) 第七階固有頻率振動(dòng)變化云圖(h) 第八階固有頻率振動(dòng)變化云圖 系統(tǒng)各階振動(dòng)變化云圖 由圖可知，葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一至四階模態(tài)振型分別表現(xiàn)為一個(gè)葉片的彎曲振動(dòng)。 模態(tài)分析過(guò)程結(jié)果零部件模型參數(shù)化建模模態(tài)分析、計(jì)算結(jié)果顯示、輸出結(jié)果是否滿意ANSYS 前處理求解后處理修改劃分網(wǎng)絡(luò)顯示、修改、細(xì)化輸入材料參數(shù)施加約束和載荷 模態(tài)分析過(guò)程 帶有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析結(jié)果。它具有求解精度高，計(jì)算速度快的特點(diǎn)。求解的方法很多，常用的方法有：(1)降階法(reduced householder method)；(2)子空間法(subspace method)；(3)非對(duì)稱法(unsymmertrical method)；(4)阻尼法(damped method)；(5)區(qū)塊lanczos法(block lanczos method)；(6)快速動(dòng)力法(power dynamic method)。在模態(tài)分析中，結(jié)構(gòu)假設(shè)為線性的,因此相應(yīng)的假設(shè)為諧響應(yīng): （42）上式中是指振型（特征向量）是振型I的固有圓周頻率. 通過(guò)取代線性方程中的值，可以得到如下方程: （43） （44）注意到解 是沒(méi)有價(jià)值的, 需要被求解： （45）對(duì)于一個(gè)模態(tài)分析, 固有圓周頻率和振型都能從該矩陣方程式里得到。模態(tài)分析屬于線性分析，即在模態(tài)分析過(guò)程中只有線性行為是有效地，如果在分析中指定了非線性單元，程序在計(jì)算過(guò)程中將忽略其非線性行為并將該單元作為線性單元處理。同時(shí)，也是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，如諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析及譜分析等等。由位移云圖可知，最大位移量出現(xiàn)在葉片下頂角處，106 m。 （a）應(yīng)力最大點(diǎn) （b）應(yīng)力最小點(diǎn) 。 約束和載荷加載圖 求解分析以及結(jié)果后處理 。 網(wǎng)格劃分 施加邊界約束和載荷 正常工作時(shí)，葉盤受到x方向重力，聯(lián)接軸處的約束，以及3000r/min的轉(zhuǎn)速。3)單元體各邊的比例盡可能接近于1，不能相差太大，以免基數(shù)值特征產(chǎn)生退化?！　?)在應(yīng)力集中的部位以及應(yīng)力變化比較劇烈的部位，單元應(yīng)劃分得密一些，即采用較小幾何尺寸的單元。 初始分析條件(1) 將已經(jīng)建好的葉片轉(zhuǎn)子三維模型導(dǎo)入ANSYS。在任意應(yīng)力狀態(tài)下，只要畸變能密度達(dá)到極限值，便引起材料的屈服，畸變能密度屈服準(zhǔn)則為 （410）在任意應(yīng)力狀態(tài)下， （411）代入（410）后，整理得屈服準(zhǔn)則為 （412）把除以安全因數(shù)得到許用應(yīng)力，于是，按第四強(qiáng)度理論得到的強(qiáng)度條件是 （413）　　　ANSYS中提供四種強(qiáng)度準(zhǔn)則，分別是“Tresca準(zhǔn)則”、“Von Mises準(zhǔn)則”、“最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則”、“Mohr準(zhǔn)則”。只要拉應(yīng)變達(dá)到極限值，材料就發(fā)生斷裂，故得斷裂準(zhǔn)則為 （43）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　由廣義胡克定律： （44）代入（43）得到斷裂準(zhǔn)則 （45）將除以安全因數(shù)得許用應(yīng)力，于是按第二強(qiáng)度理論建立強(qiáng)度條件是 （46）（3）最大剪應(yīng)力理論(第三強(qiáng)度理論)　　　這一理論認(rèn)為最大剪應(yīng)力是引起屈服的主要因素，只要最大切應(yīng)力達(dá)到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值，材料就發(fā)生屈服。根據(jù)第一強(qiáng)度理論，只要安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，則結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為安全。（1）最大拉應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論）　　這一理論認(rèn)為最大拉應(yīng)力是引起斷裂的主要因素，它適用于脆性材料。相應(yīng)地，強(qiáng)度理論分為兩類：一類是解釋斷裂失效的，其中有最大拉應(yīng)力理論和最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論。根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論，靜力分析所有與時(shí)間相關(guān)的選項(xiàng)都被清除，得到以下方程式：　 （41）　　在ANSYS中靜力結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中，位移矢量通過(guò)上面的矩陣方程得到的，以此校核結(jié)構(gòu)的變形量是否在允許的范圍內(nèi)，是否滿足設(shè)計(jì)的剛度要求。在結(jié)構(gòu)靜力分析過(guò)程中，不考慮慣性和阻尼的影響，一般都假定載荷和響應(yīng)固定不變，獲假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時(shí)間變化非常緩慢?！　　　〗Y(jié)構(gòu)靜力分析是計(jì)算在固定載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即由于穩(wěn)態(tài)外部載荷引起的系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)力