[發明專利]一種基于有限元的渦輪泵充浸液濕模態分析方法

有效

• 申請號: 201910402404.6
• 申請日: 2019-05-15
• 公開（公告）號: CN110162861B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 張威;劉永壽;劉肖汗
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/15;G06F30/23;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 金鳳

本發明提供了一種基于有限元的渦輪泵充浸液濕模態分析方法，利用ANSYS有限元軟件，通過APDL語言命令流和WORKBENCH模態分析模塊分別對渦輪泵殼體充液和離心輪結構浸液狀態下進行濕模態的分析研究，分析液體對結構固有頻率和振型的影響，同時考慮工程狀況下渦輪泵結構的充浸液氧狀態，分析浸沒介質對渦輪泵結構模態特性的影響，為防止結構的共振提供重要的動力學依據。本發明對于充浸液結構固有頻率計算具有一定的通用性，且可以改變充浸液介質，獲取工作狀態下更加準確的結構固有頻率和振型，為防止結構共振破壞、振動疲勞以及評價結構的動態特性和優化結構設計提供一定的依據。

技術領域

本發明涉及模態分析領域，尤其是一種模態分析方法。

背景技術

液體火箭發動機的各種部件中，渦輪泵是故障高發部件，這與渦輪泵特殊的結構、工作方式和工作環境有密切聯系。渦輪泵作為發動機系統的關鍵部件，它的可靠性對整個發動機系統的穩定運行起著至關重要的作用。由于目前高轉速、輕重量的發展趨勢使渦輪泵的強度振動問題比較突出。渦輪泵的振動不僅影響到渦輪泵的工作穩定性還影響到渦輪泵疲勞壽命，因此有必要了解結構的固有頻率和振型，為防止結構共振破壞、振動疲勞以及評價結構的動態特性和優化結構設計提供一定的依據。

模態分析分為干模態分析和濕模態分析兩種方式。干模態分析在計算時通常忽略空氣的作用，默認在真空條件下進行分析計算。濕模態問題主要考慮附加流體對于結構的振動特性影響，以及固體結構對流體的作用，是一種強流固耦合問題。對于工作在水介質環境中的渦輪泵系統來說，濕模態才是其動力學特性的真正表征。流體對結構的固有模態參數的影響主要為，在水介質中，渦輪泵殼體內表面，離心輪結構外表面會產生附粘水質量，也稱為附加質量效應。要想得到在流場中渦輪泵結構的動力學特性就應該考慮上述因素對模態參數的影響，并且水介質中渦輪泵結構表面不僅會產生附加質量，而且會產生附加阻尼，附加阻尼的出現使渦輪泵結構的振動能量耗散加速，導致渦輪泵的固有頻率發生變化。因此，渦輪泵結構的濕模態分析對渦輪泵的性能分析、動態設計都具有重要的意義。

目前對于渦輪泵系統模態分析的有限元仿真僅限于干模態，但是事實上在工作過程中，液體對于渦輪泵殼體和離心輪結構的模態是有很大影響的，在渦輪泵模態分析試驗中也很難做到充浸液氧狀態下的模態分析。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基于有限元的渦輪泵濕模態分析方法，主要利用ANSYS有限元軟件，通過APDL語言命令流和WORKBENCH模態分析模塊分別對渦輪泵殼體充液和離心輪結構浸液狀態下進行濕模態的分析研究，分析液體對結構固有頻率和振型的影響，同時考慮工程狀況下渦輪泵結構的充浸液氧狀態，分析浸沒介質對渦輪泵結構模態特性的影響，為防止結構的共振提供重要的動力學依據。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案的主要步驟如下：

(1)對工程上提供的渦輪泵殼體模型進行簡化，借助建模軟件對渦輪泵殼體模型進行充液操作，要求液體域充滿渦輪泵殼體空間，建立渦輪泵殼體充液狀態流固耦合模型，對工程上提供的離心輪結構模型進行簡化，借助建模軟件對離心輪結構模型進行浸液操作，要求離心輪結構完全浸沒在液體中，建立離心輪結構浸液狀態流固耦合模型，將模型導出為.x_t格式文件；

(2)將步驟(1)中導出的.x_t格式文件導入到ANSYS WORKBENCH軟件中，定義材料屬性，流體域材料設置為初始值，并在命令流中修改；

在渦輪泵殼體進出口及側面孔洞上附加均布載荷，均布載荷數值即為渦輪泵殼體進出口及側面孔洞上蓋子的質量；

(3)對渦輪泵殼體充液狀態流固耦合模型和離心輪結構浸液狀態流固耦合模型進行網格劃分，且渦輪泵殼體充液狀態流固耦合模型和離心輪結構浸液狀態流固耦合模型中，固液交界面處的網格單元尺寸一致，將流體和固體結構區域合并成一新體(Form NewPart)；