技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種基于等效剛度法的sss離合器動力學(xué)建模方法。
背景技術(shù)：
：：20世紀(jì)末以來，發(fā)電技術(shù)日趨成熟，世界范圍內(nèi)能源資源結(jié)構(gòu)也發(fā)生了重大變化，人們對環(huán)境保護(hù)的要求也日益增強(qiáng)，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)以其供電效率高、運(yùn)行啟?？臁⒔ㄔO(shè)周期短、占地少、對環(huán)境污染極小等明顯優(yōu)勢在電力系統(tǒng)中地位越來越高，逐步代替燃煤供熱機(jī)組，成為主要發(fā)展趨勢。常規(guī)的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組軸系布置為：高中壓缸—低壓缸—發(fā)電機(jī)，而新型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在高中壓缸和低壓缸之間加裝具有同步自換擋功能的sss離合器，可以實(shí)現(xiàn)對低壓缸的在線“解列”或“并車”，使得聯(lián)合循環(huán)機(jī)組可以按照不同的需要采用不同的模式運(yùn)行，提高整個機(jī)組的熱效率。sss離合器分為輸入軸、中間軸以及輸出軸三部分，離合器接合時，輸入軸和中間軸通過鎖止控制裝置鎖緊，中間軸和輸出軸通過齒輪嚙合，使得離合器能夠?qū)⑥D(zhuǎn)矩從輸出端傳遞到輸入端，此時低壓缸并入聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。離合器脫開時，低壓缸解列，此時高中壓缸作為背壓機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行。然而新的結(jié)構(gòu)必然對軸系振動產(chǎn)生很大影響，多個事實(shí)證明，由于軸系設(shè)計(jì)缺陷造成設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞，為機(jī)組的投產(chǎn)帶來了極大障礙，使得投產(chǎn)工期延誤。由于sss離合器齒輪的耦合作用，軸系振動產(chǎn)生了新的特征，根據(jù)現(xiàn)有的有限元分析軟件進(jìn)行軸系振動分析存在很大的困難?；谝陨显?，尋找sss離合器的動力學(xué)建模方法，對于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組軸系振動分析至關(guān)重要，對于減少振動故障的發(fā)生，降低經(jīng)濟(jì)損失具有重要的意義。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：：本發(fā)明的目的是針對目前對帶有sss離合器的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組軸系振動特性有限元分析研究的不足，提供了一種基于等效剛度法的sss離合器動力學(xué)建模方法，為進(jìn)一步分析聯(lián)合循環(huán)機(jī)組軸系振動以及進(jìn)行振動監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種基于等效剛度法的sss離合器動力學(xué)建模方法，包括以下步驟：1)收集sss離合器的幾何參數(shù)，包括各軸段半徑及長度、各圓角位置及半徑；2)根據(jù)sss離合器的幾何參數(shù)進(jìn)行三維建模得到sss離合器的三維模型；3)對sss離合器的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到sss離合器的有限元模型，其中除部分軸段過渡處及輪齒接觸處采用四面體及四棱錐單元劃分外，其余部分均采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元劃分；4)對sss離合器有限元模型設(shè)置材料屬性及邊界條件，進(jìn)行有限元分析得到sss離合器有限元模型的整體橫向位移分布；5)在有限元模型中選取若干優(yōu)化位置點(diǎn)，根據(jù)步驟4)得到的sss離合器整體橫向位移分布結(jié)果，經(jīng)過處理得到軸線位置撓度曲線，用以作為步驟7)中優(yōu)化過程的目標(biāo)曲線；6)以矩陣單元連接中間軸和輸出軸，代替輪齒嚙合接觸，其中矩陣單元中各元素為步驟7)中優(yōu)化過程的設(shè)計(jì)變量；7)根據(jù)步驟6)中得到的無齒的sss離合器有限元模型，設(shè)置與有齒的sss離合器有限元計(jì)算相同的邊界條件進(jìn)行有限元計(jì)算，并采用工業(yè)上常見的數(shù)學(xué)優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化得到矩陣單元各元素，獲得sss離合器動力學(xué)模型，即保證sss離合器主體不變，去掉輪齒，以優(yōu)化后的矩陣單元連接中間軸和輸出軸，代替輪齒嚙合接觸。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟4)具體包括以下實(shí)現(xiàn)步驟：401)對sss離合器有限元模型設(shè)置材料屬性，包括密度、彈性模量、泊松比及摩擦系數(shù)；402)對sss離合器有限元模型設(shè)置邊界條件：軸承處固定約束、輪齒嚙合處設(shè)置接觸、輸入軸最大直徑軸段處施加橫向力載荷；403)在進(jìn)行有限元計(jì)算分析中，有限元整體平衡方程為：[k]{q}＝{r}(1)式中：[k]——總體剛度矩陣；{r}——作用在各個節(jié)點(diǎn)上的外載荷；{q}——各個節(jié)點(diǎn)的位移；404)在計(jì)算三維非線性接觸問題時，有限元局部接觸方程為：[k*]{δ*}＝{f*}(2)式中各項(xiàng)為：[kp]＝([n][c])t[α]([n][c])(4)其中，{δ}——節(jié)點(diǎn)位移矢量；[k]——總體剛度矩陣；{f}——外載荷矢量；[c]——接觸變形一致條件的矩陣；[n]——節(jié)點(diǎn)形函數(shù)；{δ}i——接觸面節(jié)點(diǎn)的材料重疊矢量；{λ}——拉氏乘子；[α]——罰參數(shù)；405)通過求解公式(1)和公式(2)，進(jìn)行有限元分析后得到sss離合器整體橫向位移分布{q}。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟5)具體包括以下實(shí)現(xiàn)步驟：501)在sss離合器有限元模型中選取若干優(yōu)化位置點(diǎn)，包括實(shí)心軸段節(jié)點(diǎn)和空心軸段節(jié)點(diǎn)；502)實(shí)心軸段處的節(jié)點(diǎn)橫向位移直接根據(jù)計(jì)算結(jié)果{q}讀取，空心位置的節(jié)點(diǎn)位移選取軸向位置和徑向位置均相同的兩個對稱節(jié)點(diǎn)橫向位移的平均值，得到優(yōu)化位置點(diǎn)的軸向坐標(biāo){z}及橫向位移值{q0}；503)建立軸線位置的橫向位移撓度曲線{q0}＝f({z})。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟6)具體包括以下實(shí)現(xiàn)步驟：601)去掉中間軸和輸出軸的嚙合齒，以平整光滑的圓弧面代替齒面，建立無齒的sss離合器三維模型；602)對無齒sss離合器進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到有限元模型，其中除部分軸段過渡處采用四面體及四棱錐單元劃分外，其余部分均采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元劃分；603)在中間軸外側(cè)面和輸出軸內(nèi)側(cè)面上選取相同的軸向位置處均布若干節(jié)點(diǎn)，在這些節(jié)點(diǎn)的位置設(shè)立局部坐標(biāo)系，兩圈對應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間建立矩陣單元；604)其中，內(nèi)外兩圈每兩個對應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間的剛度矩陣為：605)矩陣單元中各未知元素{x}＝(kx,kty,ktz)是各方向的剛度元素，作為步驟7)中優(yōu)化算法的設(shè)計(jì)變量。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟7)具體包括以下實(shí)現(xiàn)步驟：701)設(shè)置相同的邊界條件進(jìn)行有限元計(jì)算；702)采用和步驟5)中相同的方法得到無齒的sss離合器有限元模型計(jì)算結(jié)果的橫向位移值{q1}；703)建立無齒的sss離合器有限元模型軸線位置的橫向位移撓度曲線{q1}＝g({z})；704)采用數(shù)學(xué)優(yōu)化算法對撓度曲線進(jìn)行優(yōu)化擬合，直到撓度曲線擬合程度達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)；其中，設(shè)計(jì)變量選取為步驟6)中建立的矩陣單元中各剛度元素{x}＝(kx,kty,ktz)；目標(biāo)函數(shù)為兩條撓度曲線對應(yīng)節(jié)點(diǎn)位移之間的差值{σ}＝||{q1}-{q0}||；收斂條件為{σ}n＝||{q1}n-{q0}||為第n次迭代的目標(biāo)函數(shù)；705)優(yōu)化完成后輸出優(yōu)化后的矩陣單元中各剛度元素{x}＝(kx,kty,ktz)，建立sss離合器動力學(xué)模型，即保證sss離合器主體不變，去掉輪齒，以優(yōu)化后的矩陣單元連接中間軸和輸出軸，代替輪齒嚙合接觸。本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明通過對sss離合器進(jìn)行三維建模和有限元網(wǎng)格劃分，采用三維實(shí)體單元得到sss離合器的有限元模型，對其施加邊界條件進(jìn)行計(jì)算，得到sss離合器軸心位置上各位置點(diǎn)的橫向位移，并做出撓度曲線。保留sss離合器主體三維模型不變，去掉中間軸和輸出軸的嚙合齒，在中間軸外側(cè)面和輸出軸內(nèi)側(cè)面上選取對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)間建立矩陣單元，設(shè)置相同的邊界條件進(jìn)行有限元計(jì)算并采用優(yōu)化算法對矩陣單元中剛度元素進(jìn)行優(yōu)化，直到撓度曲線擬合程度達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)，輸出矩陣單元各元素。本發(fā)明建立了sss離合器的動力學(xué)模型：即在保證sss離合器主體不變的基礎(chǔ)上，去掉輪齒，以優(yōu)化后的矩陣單元連接中間軸和輸出軸，代替輪齒嚙合接觸。使得帶有sss離合器的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組軸系振動特性有限元分析更加方便與快速。進(jìn)一步，本發(fā)明在建立sss離合器模型的時候，準(zhǔn)確地模擬sss離合器的實(shí)際工作狀態(tài)，即輸入軸和中間軸通過鎖止控制裝置鎖緊，中間軸和輸出軸通過齒輪嚙合，使得離合器能夠?qū)⑥D(zhuǎn)矩從輸出端傳遞到輸入端。進(jìn)一步，本發(fā)明在建立sss離合器模型及進(jìn)行有限元分析時，研究對象為sss離合器兩端軸承之間的軸段，除了sss離合器的輸入軸、中間軸和輸出軸之外，還包括了高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子及兩端軸承。在設(shè)置邊界條件以及進(jìn)行有限元分析時考慮了sss離合器兩端軸承及部分高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子軸段的影響，使得分析更加準(zhǔn)確。進(jìn)一步，本發(fā)明提出了以sss離合器軸線位置節(jié)點(diǎn)的橫向位移撓度曲線來擬合有限元分析結(jié)果的方法，通過比較橫向位移撓度曲線的擬合程度來表征sss離合器有限元分析結(jié)果的擬合程度。進(jìn)一步，本發(fā)明提出了用矩陣單元連接代替輪齒接觸的方法，將sss離合器非線性動力學(xué)特性進(jìn)行線性化求解，解決了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組軸系振動計(jì)算慢、難處理的問題。進(jìn)一步，本發(fā)明在實(shí)施過程中以矩陣單元中各剛度元素為設(shè)計(jì)變量，以兩條撓度曲線對應(yīng)節(jié)點(diǎn)位移之間的差值為目標(biāo)函數(shù)，可采用多種不同的優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化。附圖說明：圖1是本發(fā)明基于等效剛度法的sss離合器動力學(xué)建模方法的總體流程圖；圖2是sss離合器三維模型示意圖；圖3a是sss離合器有限元模型示意圖，圖3b和圖3c是圖3a上同一處兩個不同視角的局部放大圖；圖4是選取的優(yōu)化位置點(diǎn)示意圖；圖5是sss離合器軸線位置節(jié)點(diǎn)橫向位移撓度曲線示意圖；圖6a和圖6b是兩個不同視角去掉輪齒的sss離合器有限元模型示意圖；圖7是選取的用來建立矩陣單元的節(jié)點(diǎn)示意圖；圖8是優(yōu)化流程示意圖；圖9是模式搜索算法優(yōu)化結(jié)果對比圖；圖10是遺傳算法優(yōu)化結(jié)果對比圖。具體實(shí)施方式：以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。1)參見圖1，本發(fā)明旨在建立一種基于等效剛度法的sss離合器動力學(xué)建模方法，為帶有sss離合器的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組軸系振動分析奠定基礎(chǔ)，基于此目的，設(shè)計(jì)了基于等效剛度法的sss離合器動力學(xué)建模方法的整體流程圖。2)參見圖2，本實(shí)施例考慮了sss離合器兩端軸承的影響，研究模型為sss離合器兩端軸承7和軸承8之間的軸段，包括：輸入軸1、中間軸2、輸出軸3、高中壓轉(zhuǎn)子4、低壓轉(zhuǎn)子5、軸承6及軸承7。首先對sss離合器進(jìn)行介紹。sss離合器由輸入軸1、中間軸2以及輸出軸3組成。工作時，輸出軸3與高中壓轉(zhuǎn)子4相連，中間軸2與輸入軸1鎖緊并與低壓轉(zhuǎn)子5相連，輸出軸2和中間軸3直接通過齒輪嚙合相連。收集sss離合器的幾何參數(shù)，包括各軸段半徑及長度、各圓角位置及半徑，進(jìn)行三維建模得到sss離合器的三維造型。3)參見圖3a至圖3c，對步驟2)中得到的sss離合器三維造型進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到sss離合器有限元模型，其中除部分軸段過渡處及輪齒接觸處采用四面體及四棱錐單元劃分外，其余部分均采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元劃分。4)對步驟3)中得到的sss離合器有限元模型設(shè)置材料屬性及邊界條件，進(jìn)行有限元分析得到sss離合器有限元模型的整體橫向位移分布。401)對sss離合器有限元模型設(shè)置材料屬性，包括密度、彈性模量、泊松比及摩擦系數(shù)，如表1所示。402)對sss離合器有限元模型設(shè)置邊界條件：軸承處固定約束、輪齒嚙合處設(shè)置接觸、輸入軸最大直徑軸段處施加橫向力載荷。表1材料屬性分析對象sss離合器材料合金鋼密度/kg·m-37810彈性模量/gpa202泊松比0.28摩擦系數(shù)0.2403)在進(jìn)行有限元計(jì)算分析中，有限元總體平衡方程為：[k]{q}＝{r}(1)式中：[k]——總體剛度矩陣；{r}——作用在各個節(jié)點(diǎn)上的外載荷；{q}——各個節(jié)點(diǎn)的位移。404)在計(jì)算三維非線性接觸問題時，有限元局部接觸方程為：[k*]{δ*}＝{f*}(2)式中各項(xiàng)為：[kp]＝([n][c])t[α]([n][c])(4)其中，{δ}——節(jié)點(diǎn)位移矢量；[k]——總體剛度矩陣；{f}——外載荷矢量；[c]——接觸變形一致條件的矩陣；[n]——節(jié)點(diǎn)形函數(shù)；{δ}i——接觸面節(jié)點(diǎn)的材料重疊矢量；{λ}——拉氏乘子；[α]——罰參數(shù)。405)通過求解公式(1)和公式(2)，進(jìn)行有限元分析后得到sss離合器整體橫向位移分布{q}。5)參見圖4及圖5，在有限元模型中選取若干優(yōu)化位置點(diǎn)，根據(jù)步驟4)得到的sss離合器整體橫向位移分布結(jié)果，經(jīng)過處理得到軸線位置撓度曲線。具體步驟如下：501)在sss離合器有限元模型中選取96個優(yōu)化位置點(diǎn)，包括實(shí)心軸段節(jié)點(diǎn)22個和空心軸段節(jié)點(diǎn)74個，如圖4所示；502)實(shí)心軸段處的節(jié)點(diǎn)橫向位移直接根據(jù)計(jì)算結(jié)果{q}讀取，空心位置的節(jié)點(diǎn)位移選取軸向位置和徑向位置均相同的兩個對稱節(jié)點(diǎn)橫向位移的平均值，得到優(yōu)化位置點(diǎn)的軸向坐標(biāo){z}及橫向位移值{q0}；503)建立軸線位置的橫向位移撓度曲線{q0}＝f({z})，如圖5所示。6)參見圖6a、圖6b及圖7，以矩陣單元連接中間軸和輸出軸，代替輪齒嚙合接觸，具體步驟如下：601)去掉中間軸和輸出軸的嚙合齒，以平整光滑的圓弧面代替齒面，建立無齒的sss離合器三維模型；602)對無齒的sss離合器進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到有限元模型，如圖6a和圖6b所示。其中除部分軸段過渡處采用四面體及四棱錐單元劃分外，其余部分均采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元劃分；603)在中間軸外側(cè)面和輸出軸內(nèi)側(cè)面上選取相同的軸向位置處均布若干節(jié)點(diǎn)，在這些節(jié)點(diǎn)的位置設(shè)立局部坐標(biāo)系，內(nèi)外兩圈對應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間建立矩陣單元，如圖7所示。604)其中，內(nèi)外兩圈每兩個對應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間的剛度矩陣為：605)矩陣單元中各未知元素{x}＝(kx,kty,ktz)是各方向的剛度元素，作為步驟7)中優(yōu)化算法的設(shè)計(jì)變量。7)參見圖8、圖9及圖10，根據(jù)步驟6)中得到的無齒的sss離合器有限元模型，設(shè)置與有齒的sss離合器有限元計(jì)算相同的邊界條件進(jìn)行有限元計(jì)算，并采用優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化得到矩陣單元各元素，獲得sss離合器動力學(xué)模型，即保證sss離合器主體不變，去掉輪齒，以優(yōu)化后的矩陣單元連接中間軸和輸出軸，代替輪齒嚙合接觸。具體步驟如下：701)設(shè)置相同的邊界條件進(jìn)行有限元計(jì)算；702)采用和步驟5)中相同的方法得到無齒的sss離合器有限元模型計(jì)算結(jié)果的橫向位移值{q1}；703)建立無齒的sss離合器有限元模型軸線位置的橫向位移撓度曲線{q1}＝g({z})；704)分別采用模式搜索算法和遺傳算法對撓度曲線進(jìn)行優(yōu)化擬合，直到撓度曲線擬合程度達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)。其中，設(shè)計(jì)變量選取為步驟6)中建立的矩陣單元中各剛度元素{x}＝(kx,kty,ktz)；目標(biāo)函數(shù)為兩條撓度曲線對應(yīng)節(jié)點(diǎn)位移之間的差值{σ}＝||{q1}-{q0}||；收斂條件為{σ}n＝||{q1}n-{q0}||為第n次迭代的目標(biāo)函數(shù)。圖8給出了優(yōu)化算法的優(yōu)化流程示意圖，圖9和圖10分別是采用模式搜索算法和遺傳算法對撓度曲線進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果，可以看到與原撓度曲線擬合良好，證明了此動力學(xué)建模方法的可行性；705)優(yōu)化完成后輸出優(yōu)化后矩陣單元中各剛度元素{x}＝(kx,kty,ktz)，建立sss離合器動力學(xué)模型，即保證sss離合器主體不變，去掉輪齒，以優(yōu)化后的矩陣單元連接中間軸和輸出軸，代替輪齒嚙合接觸。當(dāng)前第1頁12