Особенности модального анализа роторов с цанговыми соединениями деталей

Работа посвящена проблеме расчетного модального анализа конструкций с цанговым соединением. В общем случае методика моделирования данного типа соединения подразумевает использование контактных элементов, затрудняющих проведение классического модального анализа. В данной статье предлагается методика моделирования цангового соединения без использования нелинейных элементов. Отработка методики моделирования осуществлялась на одном из валов двухвальной исследовательской роторной установки, использующейся для моделирования вибрационных процессов, протекающих в роторных системах авиационных газотурбинных двигателей, с учетом конструкционных и эксплуатационных факторов. Рассмотрены особенности крепления нагрузочного диска к валу с помощью цангового соединения и предложены способы моделирования данного соединения с помощью клиновидных подрезов. Произведены расчеты модальных характеристик вала (собственные формы колебаний и соответствующие частоты) для трех вариантов моделирования цангового соединения. Расчет произведен в «свободном подвесе», модель материала задается в упругой постановке, свойства материала изотропные во всех направлениях. Для верификации модальных характеристик, полученных расчетным методом, с помощью лазерной виброметрии проведен экспериментальный модальный анализ вала в упругом подвесе. Экспериментальным путем определены формы колебаний и значения собственных частот вала. Произведено сравнение собственных частот вала, полученных экспериментально и с помощью расчета, на соответствующих им формах колебаний. Дана количественная оценка, представлено процентное расхождение по собственным частотам на соответствующих формах колебаний. Путем сравнительного анализа установлен наиболее точный вариант моделирования цангового соединения в линейной постановке. Даны рекомендации по использованию предложенной методики моделирования.
The paper is dedicated to the problem of constructions with collet clamping modal analysis. Commonly modeling technique of collets is based on contact elements using. But it doesn’t allow classical modal analysis providing. The method of collets modeling without nonlinear elements is presented at this paper. The method is tested on rotor test rig shaft modal analysis. The test rig is used for gas turbine engines rotor system vibration simulating. Features of load disk and shaft collet clamping are investigated. Techniques of the junction modeling via wedge-shaped cuts are proposed. Numerical modal analysis for three types of collet clamping modeling is performed. The analysis conditions are «free suspension», elastic and isotropic material model. The results of numerical modal analysis are verified by experimental modal analysis provided via laser vibrometry in elastic suspension. Shaft modal shapes and natural frequencies are obtained. Natural frequencies obtained experimentally and numerically are compared at corresponding modal shapes. Quantitative evaluations, percent discrepancy between natural frequencies are presented. The best collet clamping linear modeling technique is determined. Recommendations of modeling technique using are proposed.