基于谱方法的柔性转子系统非线性振动动态预测模型研究

Dynamical predictions for the nonlinear vibration of flexible rotor systems have key significance to the aim of control its vibration.The existed dynamical models for the nonlinear vibration are mainly constructed using finite element method and lumped mass method, which are high-dimensional and unsuitable for synthesizing implemental and real-time control. Moreover, error accumulation and long calculation time of these dynamical models are the obstacles of the dynamical prediction for the vibration under the high speed conditions. Fortunately, spectral method can construct low-dimensional approximate models from the complex systems by model reduction that can be used for fast predictions and controller design. Based on its typical characteristics, this project intends to research the dynamical predicted models for the nonlinear vibration of rotor systems by spectral method. The research is specified as the following three aspects. Firstly, based on the analysis for the dynamics of the flexible rotors, a parameter model with the distributed axis' quality for the nonlinear vibration is constructed. Secondly, a complete set of the spatial orthogonal basis functions for the model reduction of the distributed parameter model are selected, therefore a low-dimensional approximate models for nonlinear vibration of flexible rotors is developed using spectral method. To improve the model performance, a dynamical compensation strategy for the nonlinear vibration based on the time/space separation will be proposed. Ultimately, the low-dimensional spatio-temporal predicted model for the nonlinear vibration of rotor systems is developed by using modern nonlinear system identification. The study of this project will have theoretical value and practical significance for the actual applications of the online control and dynamic balance for the nonlinear vibration of the flexible rotor systems.

非线性振动的动态预测是柔性转子系统在线动平衡和实时振动控制技术的基础和关键。现有的转子动力学模型主要采用有限元法和集中质量法来建立，阶数高，计算量大，容易误差累积，应用到非线性振动的实时动态预测具有较大困难，也不便于控制器的实现。项目利用谱方法对复杂系统降阶能构建便于快速预测和控制器设计的低阶近似模型的特点，提出基于谱方法的柔性转子系统非线性振动动态预测模型研究，具体内容包括以下三个方面:(1)基于动力学行为机理分析建立质量沿轴线分布的柔性转子系统非线性振动分布参数模型；(2)研究非线性振动分布参数模型空间正交基函数的选取方法，采用谱方法构建柔性转子系统非线性振动低阶近似模型；(3)基于时空分离技术和系统辨识理论设计柔性转子非线性振动近似建模动态综合补偿策略。项目成果对于柔性转子系统非线性振动的在线动平衡和实时主动控制技术在实际中的应用具有重要意义。

非线性振动的动态预测是柔性转子系统在线动平衡和实时振动控制技术的基础和关键。现有的转子动力学模型主要采用有限元法和集中质量法来建立，阶数高，计算量大，容易误差累积，应用到非线性振动的实时动态预测具有较大困难，也不便于控制器的实现。项目利用谱方法对复杂系统降阶能构建便于快速预测和控制器设计的低阶近似模型的特点，提出基于谱方法的柔性转子系统非线性振动动态预测模型研究。. (1)柔性转子系统多点非线性振动分布参数建模及非线性程度评估方法。针对柔性转子非线性振动传递机理，建立了振动传递路径和支承隔振性能分析方法，并提出了基于能量解耦的转子系统隔振性能分析与确定性优化方法和基于能量解耦的转子系统隔振性能稳健性优化方法；研究了柔性转子质量不平衡与非线性振动的关联关系，建立了包含主要动态机理与不确定非线性部分的柔性转子系统质量沿轴线分布的非线性振动分布参数机理模型；针对柔性转子非线性振动方程的非线性强弱程度不同，提出了柔性转子系统动力学行为非线性程度强弱评估方法，并基于振动响应非线性程度估计实现了在转子系统支承松动评估中的应用。. (2)基于谱方法的柔性转子系统非线性振动分布参数模型智能建模方法。针对柔性转子系统非线性振动分布参数模型，研究了在时空分离框架下的空间基函数选择和近似模型降阶，提出了基于实验平衡截断的分布参数模型连续基函数选取方法和基于正交分解的分布参数模型离散基函数选取方法；针对柔性转子系统轴线上多点非线性振动相互耦合的特性，研究了基于核主元分析的非线性振动矩阵形式信号处理方法，实现了采集信号的信噪比提高；针对柔性转子系统非线性振动分布参数模型中存在的不确定非线性动态部分，提出了未知非线性部分动态补偿策略，并形成了结合已知动态部分和非线性动态辨识部分的灰箱模型智能建模方法。. 项目研究对丰富柔性转子系统非线性振动建模与预测理论具有重要价值，对于柔性转子系统非线性振动的在线动平衡和实时主动控制技术在实际中的应用具有重要意义。