具有两条裂纹的转子系统非线性输出频率响应函数特性研究

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1、学校代码10406分类号TH113密级学号120080201012题目具有两条裂纹的转子系统非线性输出频率响应函数特性研究作者杜宜光学科、专业机械制造及其自动化指导教师李志农肖尧先教授申请学位日期2015年5月学校代码：10406分类号：TH113,O332学号：120080201012南昌航空大学硕士学位论文（学位研究生）具有两条裂纹的转子系统非线性输出频率响应函数特性研究硕士研究生：杜宜光导师：李志农肖尧先教授申请学位级别：硕士学科、专业：机械制造及其自动化所在单位：航空制造工程学院答辩日期：2015年5月授予学位单位

2、：南昌航空大学ResearchonnonlinearoutputfrequencyresponsefunctioncharacteristicofrotorsystemwithtwocracksADissertationSubmittedfortheDegreeofMasteronMechanicalManufacturingandAutomationByDuYiguangUndertheSupervisionofProf.LiZhinongandXiaoYaoxianSchoolofAeronauticManufactu

3、ringEngineeringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaMay2015摘要本论文是在国家自然科学基金(51265039，51075372，50775208)，江西省教育厅科技计划项目(No.GJJ12405)和湖南省机械设备健康维护重点实验室开放基金(201204)资助下展开研究的。以两条裂纹为例，将非线性输出频率响应函数引入到具有多条裂纹的转子系统故障诊断中，提出了基于非线性输出频率响应函数（NOFRF）的含双裂纹的转子系统故障诊断新方法，并进行了仿真研究和实验验证

4、，取得了较好的创新性成果。本论文的研究内容主要包括以下几个方面：1．论述了本课题的提出和研究意义，阐述了非线性系统辨识、转子系统故障诊断方法以及非线性输出频率响应函数的国内外研究现状，在此基础上，论述了本论文的主要内容及创新之处。2．基于断裂力学理论，采用应变能释放率的方法得到具有两条全开型横向裂纹的转轴在受到两相互垂直剪力作用下的刚度矩阵，分析了裂纹夹角、裂纹深度、轴细长比等参数的变化对该裂纹轴刚度的影响。以具有两条呼吸型裂纹的转轴为例，采用应力强度因子为零法模拟了转轴上两横向裂纹随转轴稳定转动的呼吸效应，并详细讨论了在

5、转轴的一个稳定旋转周期内，不同裂纹夹角和裂纹深度下，两横向裂纹的开闭变化规律和转轴刚度的时变特性。3．建立了具有两条全开型裂纹的转子系统模型，并求解了该模型的动力学方程，分析了不同裂纹夹角、裂纹深度下转子系统的非线性输出频率响应函数（NOFRF）值的变化特性。研究结果表明：NOFRF值对转轴上的两裂纹夹角、裂纹深度变化相当敏感，当采用传统分析图谱特征的方法对转子系统裂纹故障无法辨识时，可以利用NOFRF对裂纹故障的敏感性来克服传统辨识方法的不足，实现转子裂纹故障的有效检测。随着转轴上两裂纹夹角的增加，NOFRF值中二次谐波

6、二阶核值（G(j2)）和二次谐波四阶核值（G(j2)）呈先减小后增大规律2F4F变化；随着转轴上右侧全开型裂纹深度的增加，NOFRF值中一次谐波三阶核值（Gj）、三次谐波三阶核值（Gj3）逐渐增加，且又以Gj3变化最3F3F3F为显著。这些有价值的结论，为具有两条全开型裂纹转子故障诊断提供了主要的参考。最后，实验结果验证了以上结论的正确性。4．建立了具有一条全开型一条呼吸型裂纹的转子系统模型，并采用龙格库塔法求解了该模型的动力学方程，辨识得到了不同裂纹夹角、裂纹深度下转子系统各阶NOFRF值。研究结果

7、表明：随着转轴上两裂纹夹角的增加，NOFRF值中Gj2值呈先减小后增加规律变化，且在裂纹夹角为90°时达到最小值；NOFRF2FI中Gj、Gj4值对右侧全开型裂纹深度的变化非常敏感，即随着裂纹深3F4F度的增加而增大；与具有两条全开型裂纹的转子系统相比，此时Gj2为转轴2F上裂纹夹角变化情况的唯一判定依据，且用来反映裂纹深度变化的NOFRF值也由Gj、Gj3变为Gj、Gj4。最后用实验进行了验证。3F3F3F4F5．采用龙格库塔法求解了具有两条呼吸型裂纹的转子系统模型动力学方

8、程，辨识得到了具有两条呼吸型裂纹的转子系统随裂纹参数变化系统所特有的NOFRF值变化情况。结果表明：NOFRF值中G(j2)和G(j2)对两呼吸型裂纹的夹2F4F角变化非常敏感，两者均在裂纹夹角为90°时达到最小值，在裂纹夹角为180°时达到最大值，可将该规律用于反映转轴上呼吸型裂纹夹角的变化情况；