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膜片联轴器振动分析及膜片疲劳分析重庆大学硕士学位论文学生姓名：冉涌导师姓名：杜静副教授专业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二 OO 八年四月Vibration Analysis of Diaphragm Couplerand Fatigue Analysis of DiaphragmA Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of Engineering byRan YongSupervisor: Prof. Du JingMajor: Mechanical Design and TheoryCollege of Mechanical Engineering ofChongqing University, Chongqing, ChinaApril, 2008重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要随着科学技术的不断发展，风力发电技术在世界上得到了飞快的发展，越来越多的兆瓦级大型风力发电机组相继建成并投入运行，风电市场前景异常广阔。膜片联轴器是风力发电机组中的重要部件，而金属膜片是膜片联轴器的关键部件，通过它来传递转矩和运动，其设计的好坏将直接影响到整个机组的正常运行和使用寿命，因此有必要在设计阶段对膜片联轴器进行振动分析和疲劳计算，为联轴器的可靠性设计提供依据。本文课题研究就是在这样的背景下，应某企业的需求，对风力发电机组的膜片联轴器进行振动分析和疲劳计算。本文主要进行了以下研究：基于多体动力学理论，利用虚拟仿真软件 ADAMS 建立了膜片联轴器多刚体虚拟样机。同时在多刚体模型的基础上对膜片进行柔性化处理，建立联轴器的刚柔耦合模型，得到了膜片的动力学响应。 根据刚柔耦合分析得到的膜片应力 时间历程，结合疲劳分析软件 FATIGUE 进行膜片的疲劳分析，得到了膜片的疲劳损伤图以及疲劳寿命。基于振动理论，结合有限元分析软件 PATRAN/NASTRAN，建立了膜片联轴器整机的有限元模型，通过模态分析，求出联轴器前 10 阶振型与固有频率，进而计算出联轴器的前五阶临界转速，将其工作转速与之进行了比较，验证是否会发生共振。因此，本论文对膜片联轴器的分析和自主设计提供科学可靠的依据，对企业解决联轴器振动和寿命的问题具有重要的理论意义和工程实用价值，对企业在设计过程中减少设计缺陷，缩短开发周期，降低生产成本，快速响应用户的需求和市场的变化，提高企业的竞争力，具有重要的理论意义和实用价值。关键词：膜片联轴器，虚拟样机，多体动力学，疲劳，振动分析I重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTWind energy technology has developed rapidly with the science and technology uninterrupted growth. In all over the world, more and more large wind turbine generators have established consecutively and brought into service. The prospect of wind energy marketplace becomes vast extraordinarily. Diaphragm coupler is the important parts of the wind turbine, diaphragm is the key components of the diaphragm coupler, through which to transfer torque and exercise, and its design will affect to the normal operation and service life. So it is necessary to make vibration and fatigue analysis in the design stage for reliability. Under this background, the project is to carry out fatigue and vibration analysis to the crucial elements of diaphragm coupler, which responds to the need of some enterprise.The main contents are following: This paper bases on the dynamics theories and utilizes software platform of ADAMS to establish multi-rigid body system. Then, on the use of finite element software PATRAN, establish modal neutral document of diaphragm, and add it into the ADAMS to get the rigid-flexible coupling body. According to the stress-time history results, utilizes the FATIGUE to make fatigue analysis, and obtain the life in repeats of diaphragm. Based on the vibration theory, combined with finite element analysis software PATRAN/NASTRAN, establish the finite element model of diaphragm coupler. Using the modal analysis to obtain the first 10 bands natural frequency of vibration. Then calculate the 10 bands critical speed, compared it with the work speed to verify whether there will be any resonance.According to the above, it provides scientific and credible basis to the analysis and self design on the diaphragm coupler, and great theoretical significance and project application to enterprises to solve safety and life problem. In addition, it settles grounded basis for improving technical level of wind generator equipment, reducing cost of wind generation, promoting market competition capacity and implementing domestic wind generator with independent intellectual property rights.Keywords: Diaphragm coupler, Virtual prototype, Multi-body dynamics, Fatigue, Vibration analysisII重庆大学硕士学位论文目录目录中文摘要 .I英文摘要 .II1 绪 论 .11.1论文的选题背景 .11.2膜片联轴器国内外技术现状综述 .31.3论文研究的意义和目的 .41.4论文的主要研究内容 .52 虚拟样机技术及多体动力学建模理论基础. 72.1虚拟样机技术概述 .72.2多体系统动力学研究概述 .92.3 ADAMS 多刚体系统动力学理论基础 .112.3.1多体系统的组成 .112.3.2多刚体坐标系统 .112.3.3多刚体动力学理论 .122.4多柔体系统动力学 .152.4.1柔性体上点的位置向量、速度和加速度 .152.4.2外加载荷 .172.4.3多柔体系统的能量 .192.4.4多柔体系统动力学方程 .212.5本章小结 .213 联轴器系统动力学虚拟样机建模与仿真 .223.1多体仿真软件 ADAMS 简介 .223.2膜片联轴器概述 .243.2.1联轴器性能与功用 .243.2.2联轴器分类 .243.2.3膜片联轴器的组成结构 .243.3联轴器多刚体动力学模型的建立 .253.3.1 UG 与 ADAMS 环境中的模型建立 .253.3.2系统约束的确定 .273.3.3施加驱动 .283.3.4施加载荷力 .29III重庆大学硕士学位论文目录3.4联轴器多柔体虚拟样机系统建模及仿真 .303.4.1膜片柔性体文件的建立 .303.4.2刚柔耦合模型的建立 .323.4.3刚柔耦合模型动力学仿真 .343.5本章小结 .344 联轴器膜片疲劳分析 .354.1模态应力法 .354.2疲劳分析方法简介 .364.3疲劳累积损伤理论 .364.3.1概述 .364.3.2 Miner 法则、修正 Miner 法则和相对 Miner 法则 .374.4膜片的疲劳分析 .384.4.1疲劳分析的建模 .384.4.2疲劳分析结果 .394.5本章小结 .405 膜片联轴器有限元模型及模态分析 .415.1回转体临界转速 .415.2联轴器有限元模型 .415.2.1联轴器有限元模型的建立 .425.2.2材料属性 .435.2.3边界条件 .445.3膜片联轴器的有限元模态分析 .445.3.1模态分析的基本原理 .445.3.2膜片联轴器的有限元模态计算 .465.3.3模态结果分析 .495.4本章小结 .506 结论与展望 .516.1主要结论 .516.2 后续研究工作展望 .51致谢 .53参考文献 .54附录 .57A：攻读硕士学位期间所发表的论文 .57B：攻读硕士学位期间参与的课题研究 .57IV重庆大学硕士学位论文1 绪论1 绪论1.1 论文的选题背景由于化学燃料的日益枯竭和人类对全球环境的恶化倍加关注，从七十年代以来，各国政府和国际组织都相继投入了大量的资金用于可再生能源的开发，寻求一条经济社会进步与资源、环境和人口相协调的、可持续发展的道路。在众多的可再生能源中，风能以其巨大的优越性和发展潜力受到人们的青睐。风力发电具有建设周期短、装机规模灵活、不消耗燃料、不污染环境、不淹没土地等优点，被世界各国优先采用。目前在多种可再生能源中对风能的利用在技术上最成熟，已具有同燃油、燃煤、核电等发电技术相竞争的技术经济性。风力机的单机容量越来越大，制造成本不断降低，商业化机组已有 10 余年良好运行的记录。对风力机的设备配套技术也日益完善，商业性风力发电场均已形成了相当的规模和经济效益。我国是利用风能最早的国家。早在二千多年前，就有风力驱动的帆船的水面航行。明代开始应用风力车灌溉农田，并出现了用了农副产品加工的风力机械。在国外，风车也有悠久的历史，风车最早在波斯出现时，据说只是宗教用的风动法轮。古代埃及人早就知道用风车碾磨粮谷。据说风车是由阿拉伯人传到欧洲的。风车在 1219 世纪是欧洲广为使用的动力机械。1840 年，仅苏格兰和威尔士就有1 万多架风车，荷兰则有 8000 架左右，它们多用于工农业生产，如碾米、拉锯、起重、汲水和造纸等。荷兰低于海于地面的地区和英格兰沼泽地，就有数千架专用排水风车。至今，荷兰风光中仍少不了屹立在田野间的古老风车。18 世纪发明了蒸汽机，风车的地位逐渐下降。到了 19 世纪下半叶，风车重新派上用场。在美国西部，轶路公司的风车用来抽汲地下水供机车使用，居民用其抽水灌溉和饮用。后来，又有人利用风力发电。20 世纪 30 年代，小型风力发电机在美国已很普遍，直到 50 年代中期，美国公司已出售了数以千计的风车发电机，但发电量都很小，只够一户人家使用。到 70 年代，能源危机使风车再度盛行起来。风车叶片形状也有很多变化，发电量也有所增加。可见，现代能源、电力技术的发展，使风能的利用在人们还认为她微不足道的时候，便具备了根植于新时代的强大生命力。多少年来以煤炭、石油为主体的能源结构将被新型能源，特别是被可再生能源的利用所替代，从而使能源结构从集中转变为分散。如同计算机工业从大型工业主机转变为个人电脑一样，新的能源技术将走进千家万户。而这种能源的利用和能源经济方式，将使自然界最丰富的、取之不尽、用之不竭的资源风能走向能源的主导地位1,2。1重庆大学硕士学位论文1 绪论全球的风能蕴量巨大，永不枯竭，约为 2.74109MW，其中可利用的风能为2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大 10 倍，也大于固体燃料和液体燃料能量的总和。随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。近 5 年来，世界风能市场每年都以 40%的速度增长。预计未来 2025 年内，世界风能市场每年将递增 25%。现在，风能发电成本已经下降到 1980 年的 1/5。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。中国风能资源丰富，现估计实际可开发量 2.53 亿 kW，为可再生能源和新能源利用技术提供了强大的资源条件。“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。全国风电装机总容量达到 126 万千瓦，位居世界第 10 位，亚洲第三位，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2005 年，中国发电设备容量规模取得历史性突破，发电生产结构也进一步优化，其中风电投产发电设备容量超过了 100 万千瓦。截至 2005 年年底，全国发电设备容量为 51718.48 万千瓦，同比增长 16.91%。其中，水电约占总容量 22.7%，火电约占总量 75.67%，核电占总量 1.32%，风电总量 0.2%，可见风电设备装机容量所占比例还相当低。作为世界上的风能大国，我国尚不具备独立开发风力机尤其是大型风力机的能力，迄今为止国内己投入运行的风力发电机组绝大部分是进口的，对外依赖性强，风电行业的发展还有很多阻碍因素3。设计水平是制约我国风电行业发展的主要因素，与此相关的基础研究、实验研究和新技术应用等方面与国外存在着较大的差距，有些领域国内甚至是空白。尤其是目前主流的大型风力机，我国基本上是依靠从国外引进生产技术来仿制。这不但受到成本、运输、售前售后等方面的制约，还要消耗大量的资金，而且将使我国对风力机组的研制水平日益落后于国际先进水平，从根本上来说不利于我国风电产业的发展。更何况从国外引进的风机由于在设计时针对国外的风况和有一些特殊的环保要求，并不能和国内的情况非常吻合，不能很好地达到预期的性能。因此，自主设计开发对于我国风电事业的长期发展是非常重要的，它不仅可以使我们摆脱从国外引进生产许可制造风机的被动局面，而且可以从根本上解决我国风能行业发展的“瓶颈”，促进风电行业的健康发展。进行大型风力发电机组技术研究的目的是能拿出符合市场需求的、具有自主知识产权的、能在国内进行批量生产的商业化运行机组。国产化大型风力发电机组的批量生产，不仅可以大大促进中国风电市场风力发电机组价格的下降，提高我国在新能源应用技术领域里的技术储备，促进国际间的风电技术交流，对中国制造业参与国际风电项目的竞争起到积极作用，而且还可以促进相关产业发展，对国家经济发展起到了积极的推动作用。国产化大型风力发电机组的自主开发设计和批量生产的关键技术内容之一就2重庆大学硕士学位论文1 绪论是风力发电机组及其主要零部件的设计与分析方法的研究。本课题就是在这样的背景下，应企业需求提出的（项目名称：风力发电机联轴器设计分析）。采用多体动力学理论和虚拟样机技术建立膜片联轴器虚拟样机，结合疲劳分析软件计算膜片疲劳寿命；利用有限单元法对膜片联轴器整体系统进行振动模态分析。因此，本课题的研究将对国产化大型风力发电机组自主设计开发工作起到重要的理论探索和指导作用，从而为提高我国风力发电设备技术水平，降低风力发电成本，提高市场竞争能力，实现具有自主知识产权的国产化风力发电机组的商业化和产业化奠定坚实的基础。1.2 膜片联轴器国内外技术现状综述联轴器是将驱动部分和从动机构联结起来一同旋转并传递能量和运动的机械部件。联轴器可以分为刚性联轴器和弹性联轴器，刚性联轴器通常用于低速重载的概况下，其主要作用是传递较大的功率；而弹性联轴器主要用于高速转子系统，它利用弹性元件或特定结构来调整和补偿由于制造、安装以及温度变化而造成的不对中，同时一般弹性联轴器都具有隔振的功能。在国外，对弹性联轴器的研究也有相当长的时间。早在 80 年代中期，阿美利弗莱克斯（Ameriflex）公司推出了具有线性轴向刚度的波形膜片联轴器，但由于工艺复杂，价格昂贵，除非特殊场合，一般客户极少采用。1982 年，我国首台大功率高速膜片挠性联轴器在南方动力公司试验成功，该联轴器以其良好的性能成为国内工程界研究的热点，一些学者研究了膜片联轴器的刚度、强度和疲劳寿命。华军等人对六孔圆环形和束腰形膜片，利用有限元方法和薄板弯曲理论建立膜片应力计算模型。引用疲劳分析，建立计算膜片联轴器膜片疲劳裂纹形成寿命的模型和方法，定量分析两种形式膜片的应力、附加载荷的疲劳寿命，最后得出对膜片组设计有参考价值的理论4。上海材料研究所的曹逸苍等人对膜片联轴器膜片材料进行了研究，研究表面膜片材料要求具有高的强度和耐疲劳性和耐热性、耐腐蚀性5。张浩民等人利用 ANSYS 有限元程序对金属膜片联轴器中圆环膜片进行静态和动应力计算。通过实例求出膜片中静态 3 种应力组合总应力和角向弯曲动态应力。其结果为膜片疲劳寿命的计算提供依据，且可定性地分析一向膜片疲劳强度因素6。四川大学的尹怀志等人以束腰式膜片为研究对象，利用有限元软件对膜片中存在的应力进行了计算，得到了膜片应力的结构变形图、节点应力分布图及最大3重庆大学硕士学位论文1 绪论应力点的数值和位置。根据计算结果依据疲劳裂纹形成寿命计算的应力应变法，对膜片的疲劳寿命进行了计算7。高洪涛等人考虑转子系统不对中因素的影响后，建立了膜片联轴器耦合转子轴承系统的动力学模型，分析了在对中不对中两种状态下转子系统的特征值、模态和系统的稳定性8。从上面可以看出，对膜片联轴器膜片的研究主要集中在联轴器膜片强度方面的研究，还没有发现关于膜片联轴器整体建模分析的文献。目前无论在国内还是国外，在进行膜片疲劳分析时，基本上都是施加静态载荷计算膜片寿命，这与实际工况有很大的差别。同时，在振动方面国内还没有发现关于对膜片联轴器整体系统进行有限元建模进行模态分析。在计算机硬件和软件技术发展的推动下，机械系统的仿真技术 MSS (Mechanical System Simulation)变成了现实，虚拟样机随之产生。在国际上，一个公司的虚拟样机应用水平是证明其产品设计水平的一个重要指标。虚拟样机技术越来越多的应用在机械系统的各个领域，但在各类文献里并未发现关于膜片联轴器的虚拟样机仿真研究。另外，也没有发现运用刚柔耦合理论来进行膜片的动力学分析的文献。本文基于已有的多体动力学仿真软件平台，建立联轴器的虚拟样机，进行多刚体动力学仿真，对膜片柔性化，进一步进行刚柔耦合动力学分析，得到膜片更为真实的动应力响应和疲劳寿命结果。同时，利用有限元技术，建立膜片联轴器整体系统的有限元模型，对其进行模态分析，研究联轴器整体振动特性。为今后膜片联轴器的开发提供新的研究途径和经验积累。1.3 论文研究的意义和目的如前所述，环境和能源是当今全人类面临的两大亟待解决的问题，开发绿色能源、实行可持续发展的战略是世界各国解决能源问题、优化能源结构的正确选择。风能是一种普遍的绿色能源，储量巨大，世界各国对此都比较重视。经过多年的努力，世界风力发电技术越来越成熟，风力发电机组装机容量越来越大，从定桨距控制到变桨距控制，从恒速恒频到变速恒频，从陆地到海洋上，风力发电正以前所未有的速度发展。我国是人口大国，又是资源相对缺乏的国家，要实现我国经济的可持续发展，就必须协调解决好发展、能源和环保的关系。为建立合理的能源结构，就必须开发绿色能源，大力发展风力发电事业。然而由于我国的风力发电起步较晚、基础差，相对于世界风力发电强国差距还比较大。目前，风力发电机组正朝着高效率、大容量的方向发展，国外单机容量为 12MW 的变速恒频风力发电机组已经商品化，我国也引进了中等容量的该类产品，但我国自己尚不能独立生产制造。除了4重庆大学硕士学位论文1 绪论工业基础、生产工艺原因外，主要还是我国对其基础理论和关键技术缺乏深入的研究，不足以形成生产力。因此，从长远的发展眼光来看，我国必须加强风力发电技术的基础理论和关键技术的研究，实现风电机组的国产化，降低风电的成本。只有这样才能提高我国风电行业的竞争力。本文正是从这点出发，作为风力发电机组关键零部件，对膜片联轴器的性能进行了分析和研究。目前随着市场供需量的增多，零件的寿命估算，已成为疲劳强度的一个重要组成部分。产品的寿命，已成为国内外市场中产品的竞争指标。因而在产品的样本中应提供疲劳寿命的数据以供企业参考。研究联轴器的模态，目的是求出系统的固有频率，避免传动过程中产生共振，同时为了提高传动的平稳性并采取有利的改进措施。本课题的研究将对国产化大型风力发电机组自主设计开发工作起到重要的理论探索和指导作用，从而为提高我国风力发电设备技术水平，降低风力发电成本，提高市场竞争能力，实现具有自主知识产权的国产化风力发电机组的产业化奠定坚实的基础。1.4 论文的主要研究内容本文以膜片联轴器为研究对象，以多体动力学和有限元为理论基础，在机械系统动力学仿真软件 ADAMS 中建立膜片联轴器的多刚体动力学仿真模型，同时借助有限元软件 PATRAN 建立膜片柔性体，建立膜片联轴器刚柔耦合模型；通过对刚柔耦合模型的仿真，得到膜片的动应力响应（载荷谱），结合疲劳分析软件计算膜片的疲劳寿命；利用有限元分析软件，建立膜片联轴器整体系统的有限元模型，对联轴器系统进行模态分析。在此基础上，针对联轴器膜片在制造过程中可能出现的问题进行预测分析，为其国产化提供科学可靠的理论依据。本文主要研究内容及结构安排包括以下几个方面：第一章：绪论介绍本论为技术背景、论文研究的意义和目的及主要内容。第二章：虚拟样机技术及多体动力学建模理论基础介绍了虚拟样机技术和多体系统动力学的特点、内容及应用。详细介绍了ADAMS 多刚体系统动力学理论和多柔体系统动力学理论。通过本章，可以对虚拟样机技术及多体系统动力学的内容有较深入的了解。第三章：联轴器系统动力学虚拟样机建模与仿真基于虚拟样机技术，采用多体动力学分析软件 ADAMS 建立膜片联轴器的多刚体虚拟样机。同时结合有限元分析软件 NASTRAN 对膜片进行柔性化处理，建立膜片联轴器的刚柔耦合虚拟样机，进行动力学分析及仿真，得到了膜片的动力5重庆大学硕士学位论文1 绪论学响应。第四章：膜片疲劳分析在刚柔偶合分析的基础上，基于疲劳分析软件 FATIGUE 进行膜片的疲劳分析，得到了膜片疲劳损伤区域以及疲劳寿命。第五章：膜片联轴器有限元模型及其模态分析运用有限元分析软件 PATRAN/NASTRAN 建立膜片联轴器整机有限元模型，并对其进行模态分析，与试验结果进行对比，验证联轴器在工作转速范围内是否发生共振。第六章：结论归纳全文，总结本文所取得的研究成果，分析仍需进一步研究的问题，对膜片联轴器分析提出了展望。6重庆大学硕士学位论文2 虚拟样机技术及多体动力学建模理论基础2 虚拟样机技术及多体动力学建模理论基础机械系统动力学分析与仿真是随着计算机技术的发展而不断成熟的，多体系统动力学是其理论基础。计算机技术自其诞生以来，渗透了科学计算和工程应用的几乎每个领域。数值分析技术与传统力学的结合曾在结构力学领域取得了辉煌的成就，出现了 ANSYS、NASTRAN 等为代表的应用极为广泛的结构有限元分析软件。计算机技术在结构静力学分析、运动学分析、动力学分析以及控制系统分析上的应用，则在二十世纪八十年代形成了计算多体系统动力学，并产生了以ADAMS 和 DADS 为代表的动力学分析软件。两者共同构成了计算机（CAE）技术的重要内容。2.1 虚拟样机技术概述在计算机硬件和软件技术发展的推动下，机械系统的仿真技术 MSS (Mechanical System Simulation)也变成了现实。从 70 年代起，人类在航空航天、交通运输及兵器工业上所遇到的问题难以用传统的理论来解决。生产力发展的需要促使在牛顿力学的基础上进一步产生了多体动力学，也使建立在多体动力学基础上的机械系统的仿真技术得以发展。同时伴随着电子计算机软件和硬件技术的飞速发展，仿真软件的功能日益强大。现在欧美等发达国家，机械系统的仿真技术己成功地应用于航空航天、交通运输、兵器工业、机械设计等多种领域，产生巨大的效益，同时也使传统的设计试验方法发生了巨大变化。传统的产品开发过程一般经过概念设计、方案设计、实验室试验、细部设计、中型放大、批量生产等诸多阶段，产品上市周期长。设计人员的初期设计仅停留在图纸上，不能预见物理样机加工出来后的可能出现的问题。因此，到了产品的试验阶段，许多未发现的问题被暴露出来。设计人员进行修改后，再重新加工，重复上述的过程。从开始设计、试制、试验及改进到最后