考虑叶轮故障激励的多级给水泵柔性轴系建模方法
本申请涉及水下航行器建模，特别涉及考虑叶轮故障激励的多级给水泵柔性轴系建模方法。
背景技术：
1、相对于传统单级泵，水下航行器用多级给水泵在扬程、效率等方面有更好表现的同时，在加工制造和使用要求方面也具有更高要求。作为多级给水泵系统的关键组成部件，多级给水泵轴系的好坏决定着给水泵机组性能的优劣。在实际应用中，水下航行器用多级给水泵系统的高性能、低噪声、稳定运行已经成为学者们关注的重点。因此，需对多级给水泵柔性轴系建模方法进行研究。
2、目前，一般基于ansys、fluent等三维软件的有限元分析方法和多体动力学方法进行给水泵轴系动力学建模和给水泵轴系结构的振动响应分析。
3、其中，有限元分析方法较为依赖网格精度，而高质量的网格会占用较大的计算机资源和具有较长的计算时间，从而导致分析给水泵轴系结构的振动响应的效率较低；现有的多体动力学方法计算速度较快，但是普遍未考虑轴段的柔性变形效应，此外，轴系叶轮故障会导致多级给水泵系统在运行中出现振动噪声、水力性能下降、效率损失和空化等问题，严重时还可能导致给水泵机组停机，然而，现有技术未对叶轮故障激励进行研究，多级给水泵柔性轴系建模精度较低。
技术实现思路
1、本申请提供了考虑叶轮故障激励的多级给水泵柔性轴系建模方法，用以解决现有技术分析给水泵轴系结构的振动响应的效率较低，多级给水泵柔性轴系建模精度较低的问题。
2、一方面，本申请提供了考虑叶轮故障激励的多级给水泵柔性轴系建模方法，包括以下步骤：
3、步骤一，建立多级给水泵柔性轴段的轴段动力学模型。
4、步骤二，建立多级给水泵叶轮的叶轮动力学模型。
5、步骤三，建立轴承的轴承动力学模型。
6、步骤四，考虑叶轮故障激励，建立轴系不平衡力学模型和轴系不对中力学模型。
7、步骤五，联立所述轴段动力学模型、所述叶轮动力学模型、所述轴承动力学模型、所述轴系不平衡力学模型和所述轴系不对中力学模型，得到多级给水泵柔性轴系的动力学方程组。
8、步骤六，通过数值积分方法求解所述动力学方程组，得到多级给水泵柔性轴系各部件的振动响应规律。
9、在一种可能的实现方式中，步骤一包括：
10、建立多级给水泵柔性轴段的节点位移向量。
11、建立多级给水泵柔性轴段的轴段质量矩阵。
12、建立多级给水泵柔性轴段的轴段刚度矩阵。
13、建立多级给水泵柔性轴段的轴段阻尼矩阵。
14、基于所述节点位移向量、所述轴段质量矩阵、所述轴段刚度矩阵和所述轴段阻尼矩阵建立多级给水泵柔性轴段的轴段动力学模型。
15、在一种可能的实现方式中，步骤二包括：
16、建立多级给水泵叶轮的叶轮位移向量。
17、建立多级给水泵叶轮的叶轮质量矩阵。
18、建立多级给水泵叶轮的叶轮阻尼矩阵。
19、基于所述叶轮位移向量、所述叶轮质量矩阵和所述叶轮阻尼矩阵建立多级给水泵叶轮的叶轮动力学模型。
20、在一种可能的实现方式中，步骤三包括：
21、根据牛顿定律建立滚动轴承平衡方程，所述滚动轴承平衡方程即所述轴承动力学模型。
22、在一种可能的实现方式中，步骤四中，所述叶轮故障激励包括：叶轮不平衡故障激励和叶轮不对中故障激励。
23、在一种可能的实现方式中，步骤四中，所述叶轮不平衡故障激励是基于叶轮不平衡质量、叶轮不平衡距离、旋转角速度和不平衡质量初始相位角得到。
24、所述叶轮不平衡故障激励与所述叶轮不平衡质量、所述叶轮不平衡距离、所述旋转角速度、所述不平衡质量初始相位角的关系即所述轴系不平衡力学模型。
25、在一种可能的实现方式中，步骤四中，所述叶轮不对中故障激励是基于叶轮不对中质量、叶轮不对中距离、旋转角速度和不对中质量初始相位角得到。
26、所述叶轮不对中故障激励与所述叶轮不对中质量、所述叶轮不对中距离、所述旋转角速度、所述不对中质量初始相位角的关系即所述轴系不对中力学模型。
27、在一种可能的实现方式中，步骤六中，所述数值积分方法采用newmark-β法。
28、本申请中的考虑叶轮故障激励的多级给水泵柔性轴系建模方法，具有以下优点：
29、通过考虑柔性轴段、刚性叶轮、轴承、叶轮故障激励进行多级给水泵柔性轴系建模，并通过数值积分方法得到振动响应规律，提高了多级给水泵柔性轴系建模精度和振动响应分析效率。
技术特征：
1.考虑叶轮故障激励的多级给水泵柔性轴系建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的考虑叶轮故障激励的多级给水泵柔性轴系建模方法，其特征在于，步骤一包括：
3.根据权利要求1所述的考虑叶轮故障激励的多级给水泵柔性轴系建模方法，其特征在于，步骤二包括：
4.根据权利要求1所述的考虑叶轮故障激励的多级给水泵柔性轴系建模方法，其特征在于，步骤三包括：
5.根据权利要求1所述的考虑叶轮故障激励的多级给水泵柔性轴系建模方法，其特征在于，步骤四中，所述叶轮故障激励包括：叶轮不平衡故障激励和叶轮不对中故障激励。
6.根据权利要求5所述的考虑叶轮故障激励的多级给水泵柔性轴系建模方法，其特征在于，步骤四中，所述叶轮不平衡故障激励是基于叶轮不平衡质量、叶轮不平衡距离、旋转角速度和不平衡质量初始相位角得到；
7.根据权利要求5所述的考虑叶轮故障激励的多级给水泵柔性轴系建模方法，其特征在于，步骤四中，所述叶轮不对中故障激励是基于叶轮不对中质量、叶轮不对中距离、旋转角速度和不对中质量初始相位角得到；
8.根据权利要求1所述的考虑叶轮故障激励的多级给水泵柔性轴系建模方法，其特征在于，步骤六中，所述数值积分方法采用newmark-β法。
技术总结
本发明公开了考虑叶轮故障激励的多级给水泵柔性轴系建模方法，包括以下步骤：建立多级给水泵柔性轴段的轴段动力学模型；建立多级给水泵叶轮的叶轮动力学模型；建立轴承的轴承动力学模型；考虑叶轮故障激励，建立轴系不平衡力学模型和轴系不对中力学模型；联立上述各个模型，得到多级给水泵柔性轴系的动力学方程组；通过数值积分方法求解动力学方程组，得到多级给水泵柔性轴系各部件的振动响应规律。本申请通过考虑柔性轴段、刚性叶轮、轴承、叶轮故障激励进行多级给水泵柔性轴系建模，并通过数值积分方法得到振动响应规律，提高了多级给水泵柔性轴系建模精度和振动响应分析效率。
技术研发人员：刘静,范程万里,安宇晨,杨单一,潘光
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23