转子强度的分析方法

技术领域

本申请涉及转子分析技术领域，尤其涉及一种转子强度的分析方法。

背景技术

转子是现代重型燃气轮机的重要组成部件。对于大功率的重型燃气轮机来说，转子工作条件具有温度高、载荷变化复杂、转速高的特点，这对转子的设计、制造、安装等环节都提出了苛刻的要求。因此，对转子进行强度分析，确保转子能够在不同工况下安全运行，降低相关生产企业的运行维护成本具有重大意义。

目前，工程应用中常采接触式测量方法对转子进行强度试验，但是，需要对被测对象进行传感器布置，常常会出三维应变场测试难、测试系统的抗电磁干扰以及接触测量所导致的被测对象动态特性的变化等问题。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的一个目的在于提出一种转子强度的分析方法，通过获取转子对应的多个初始环氧树脂试验件，并获取初始环氧树脂试验件对应的标定条纹数据；对多个初始环氧树脂试验件分别基于不同的单一工况进行载荷实验，获取载荷实验后获得的多个目标环氧树脂试验件，初始环氧树脂试验件与单一工况一一对应；沿轴向方向对目标环氧树脂试验件进行均匀分段，获得分段后获得的多个试验件段，并对每个试验件段进行中心区域的切片取样，获取多个初始样本切片；对每个初始样本切片进行圆孔取样，获得每个初始样本切片对应的多个采样圆形切片；针对任一目标环氧树脂试验件，对该目标环氧树脂试验件对应的每个采样圆形切片分别进行光弹性实验，获取光弹性实验获得的实验数据，并将实验数据与标定条纹数据进行对比，获取该目标环氧树脂试验件的对比结果；对所有目标环氧树脂试验件分别对应的对比结果进行整理分析，获取转子的强度分析结果。

根据本申请的一个实施例，对每个初始样本切片进行圆孔取样，获得每个初始样本切片对应的多个采样圆形切片，包括：以初始样本切片的轴线为中心，基于第一设定距离在初始样本切片上做圆以获取圆形轨迹；对圆形轨迹进行等间距分割，获取分割后的多个等间距采样点；分别以每个等间距采样点为圆心，基于第二设定距离为半径在初始样本切片上进行圆孔取样，获得多个采样圆形切片。

根据本申请的一个实施例，对每个试验件段进行中心区域的切片取样时，切片厚度不超过1毫米。

根据本申请的一个实施例，对每个初始样本切片进行圆孔取样时，取样圆孔直径不超过10毫米。

根据本申请的一个实施例，对多个初始环氧树脂试验件分别基于不同的单一工况进行载荷实验，获取载荷实验后获得的多个目标环氧树脂试验件，包括：基于不同的温度载荷速、转速和预紧力力矩设计多个不同的单一工况；对多个初始环氧树脂试验件分别基于不同的单一工况进行载荷实验，获取载荷实验后获得的多个目标环氧树脂试验件。

根据本申请的一个实施例，对该目标环氧树脂试验件对应的每个采样圆形切片分别进行光弹性实验，获取光弹性实验获得的实验数据，包括：将各采样圆形切片分别放置于激光偏振光场内进行光弹性实验，记录激光偏振光场内的光路的彩色条纹图像；将彩色条纹图像转化为灰度图像，并运用剪应力差法对灰度图像进行分析，获得灰度图像的全场剪应力分布和主应力迹线；将全场剪应力分布和主应力迹线作为实验数据。

根据本申请的一个实施例，获取转子对应的多个初始环氧树脂试验件，包括：对转子的实际尺寸进行等比例缩小，以获取待测转子模化件的尺寸特征；根据尺寸特征，基于3D打印方式，打印获取多个待测转子模化件；采用硅胶做模具，将待测转子模化件作为芯模，浇入硅胶包裹整个待测转子模化件，待硅胶固化后，将环氧树脂注入阴模空间，以获得初始环氧树脂试验件。

根据本申请的一个实施例，获取初始环氧树脂试验件对应的标定条纹数据，包括：采用单臂梁对初始环氧树脂试验件进行应力标定，确定初始环氧树脂试验件的应力条纹值和应变条纹值；将应力条纹值和应变条纹值作为标定条纹数据。

本申请至少实现以下有益效果：

(1)本申请提出的转子强度的分析方法克服了现有接触式转子强度分析方法三维应变场测量难度大、电磁干扰信号多、被测对象动态特性发射的缺点，将转子实际运行载荷作为边界条件对转子模型进行试验，从而得到精确的应力分析结果。

(2)本申请提出的转子强度的分析方法能够有效降低试验台架的建设费用或改造费用，通过制作环氧树脂试验件，将尺寸巨大的转子模化，降低了试验成本。

(3)本申请提出的转子强度的分析方法能够获得传统分析方法较难获得的转子内部应力分布试验结果，减少了测量误差，能够得到更为可靠的强度分析结果。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请一个实施例示出的一种转子强度的分析方法的示例性实施方式的示意图。

图2是本申请一个实施例示出的一种沿轴向方向对目标环氧树脂试验件进行切片取样的示意图。

图3是本申请一个实施例示出的一种对初始样本切片进行圆孔取样的示意图。

图4是本申请一个实施例示出的一种转子强度的分析方法的示例性实施方式的示意图。

图5是本申请一个实施例示出的一种激光偏振光场示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

图1是本申请示出的一种转子强度的分析方法的示例性实施方式的示意图，如图1所示，该转子强度的分析方法，包括以下步骤：

S101，获取转子对应的多个初始环氧树脂试验件，并获取初始环氧树脂试验件对应的标定条纹数据。

由于转子普遍尺寸较长，直接进行试验需要较大的成本建立试验台架，为便于基于现有的试验台架开展试验研究，依据现有试验台架尺寸，对待测转子的尺寸进行等比例缩小制作模化件，确定模化件几何特征尺寸。

转子由于外形几何尺寸相对较为简单，可通过3D打印的方法制作出高精度模化件，采用3D打印方法制作的模化件能较为精准的还原待测转子的结构特征。

采用硅胶做模具，将待测转子模化件作为芯模，浇入硅胶包裹整个待测转子模化件，由于硅胶具有较好的成型特性，适宜于制作待测转子试验件，待硅胶固化后，将环氧树脂注入阴模空间，以此获得待测转子的初始环氧树脂试验件。

采用待测转子的初始环氧树脂试验件同批次的环氧树脂制作标定试样，采用单臂梁对标定试样进行应力标定，确定初始环氧树脂试验件对应的应力条纹值和应变条纹值作为标定条纹数据。

S102，对多个初始环氧树脂试验件分别基于不同的单一工况进行载荷实验，获取载荷实验后获得的多个目标环氧树脂试验件，初始环氧树脂试验件与单一工况一一对应。

采用环氧树脂制作的初始环氧树脂试验件进行模化试验，进行模化试验设计时，需综合考虑试验中模型尺度、受载荷比例、试验台架情况等诸多影响，不同的温度载荷、转速和预紧力力矩对应实际运行过程中的不同工况，用以模拟转子在不同工况下的受力情况。

按照模化试验方案，对初始环氧树脂试验件进行载荷试验，将载荷试验后得到的环氧树脂试验件作为待进行分析的目标环氧树脂试验件。其中，每件初始环氧树脂试验件仅可进行单个工况的试验，以确保应力条纹之间的影响较少，减少试验结果分析过程中产生的误差。

S103，沿轴向方向对目标环氧树脂试验件进行均匀分段，获得分段后获得的多个试验件段，并对每个试验件段进行中心区域的切片取样，获取多个初始样本切片。

由于目标环氧树脂试验件尺寸较大，直接获得全部应力分布较耗时间，本申请中，采用切片分析的方法，对转子进行切片，将转子整体应力分布简化为切块部分的应力分布，图2是本申请示出的一种沿轴向方向对目标环氧树脂试验件进行切片取样的示意图，如图2所示，沿轴向方向对目标环氧树脂试验件进行切片取样，获取多个初始样本切片。

作为另一种可实现的方式，可沿轴向方向对目标环氧树脂试验件进行均匀分段，比如说沿轴向方向对目标环氧树脂试验件均匀分成10段，获得分段后获得的多个试验件段，并对每个试验件段进行中心区域的切片取样，获取多个初始样本切片。

其中，对每个试验件段进行中心区域的切片取样时，切片厚度不超过1毫米。

S104，对每个初始样本切片进行圆孔取样，获得每个初始样本切片对应的多个采样圆形切片。

获得初始样本切片之后，为获得转子不同区域的应力分布，需要对其进行分区取样。示例性的，图3是本申请示出的一种对初始样本切片进行圆孔取样的示意图，如图3所示，由于初始样本切片的截面较大，以初始样本切片的轴线为中心，基于第一设定距离在初始样本切片上做圆以获取圆形轨迹，对圆形轨迹进行等间距分割，获取分割后的多个等间距采样点，分别以每个等间距采样点为圆心，基于第二设定距离为半径在初始样本切片上进行圆孔取样，获得多个采样圆形切片。

其中，对每个初始样本切片进行圆孔取样时，取样圆孔直径不超过10毫米。

S105，针对任一目标环氧树脂试验件，对该目标环氧树脂试验件对应的每个采样圆形切片分别进行光弹性实验，获取光弹性实验获得的实验数据，并将实验数据与标定条纹数据进行对比，获取该目标环氧树脂试验件的对比结果。

光学测试方法是运用光学手段研究和解决结构内部或表面的应力、应变、位移和振动等力学信号的测试方法。在光学测试中，光弹性法是利用材料的双折射效应对被测对象进行测试，属于非接触测量方法，具有接触式方法不能达到的全场测量优势，既可以测量表面应力，也可测量内部应力。环氧树脂的特性是可以将承受的载荷以应力条纹的形式保存在试验对象中，即使卸去载荷或者切削加工都不受影响。将环氧树脂应用于光弹性法中不仅很容易找到应力集中的部位，而且可以确定应力集中系数。

本申请中，对采样圆形切片进行机械磨制和抛光处理，使其表面平整、光滑，并去除可能对实验结果产生干扰的不均匀部分和杂质等，在光学偏振显微镜中，对多个采样圆形切片分别进行光弹性实验，观察并记录采样圆形切片分别在各种压力或应力下的优先方向和光程差变化情况等实验数据，根据处理后的实验数据与标定条纹数据进行对比，分析目标环氧树脂试验件的强度、弹性模量、断裂韧性、热膨胀系数和应力分布等力学性能和物理特性的对比结果。

S106，对所有目标环氧树脂试验件分别对应的对比结果进行整理分析，获取转子的强度分析结果。

对所有目标环氧树脂试验件的对比结果进行分析，比较不同试验件之间的差异和相似性，并得出相应的结论。基于分析结果，评估转子的强度表现。

本申请至少实现以下有益效果：(1)本申请提出的转子强度的分析方法克服了现有接触式转子强度分析方法三维应变场测量难度大、电磁干扰信号多、被测对象动态特性发射的缺点，将转子实际运行载荷作为边界条件对转子模型进行试验，从而得到精确的应力分析结果。(2)本申请提出的转子强度的分析方法能够有效降低试验台架的建设费用或改造费用，通过制作环氧树脂试验件，将尺寸巨大的转子模化，降低了试验成本。(3)本申请提出的转子强度的分析方法能够获得传统分析方法较难获得的转子内部应力分布试验结果，减少了测量误差，能够得到更为可靠的强度分析结果。

图4是本申请示出的一种转子强度的分析方法的示例性实施方式的示意图，如图4所示，该转子强度的分析方法，包括以下步骤：

S401，对转子的实际尺寸进行等比例缩小，以获取待测转子模化件的尺寸特征。

S402，根据尺寸特征，基于3D打印方式，打印获取多个待测转子模化件。

S403，采用硅胶做模具，将待测转子模化件作为芯模，浇入硅胶包裹整个待测转子模化件，待硅胶固化后，将环氧树脂注入阴模空间，以获得初始环氧树脂试验件。

S404，采用单臂梁对初始环氧树脂试验件进行应力标定，确定初始环氧树脂试验件的应力条纹值和应变条纹值，将应力条纹值和应变条纹值作为标定条纹数据。

为了最大程度排除材料变化带来的试验误差，本申请中，采用待测转子的初始环氧树脂试验件同批次的环氧树脂制作标定试样，采用单臂梁对标定试样进行应力标定，确定初始环氧树脂试验件对应的应力条纹值和应变条纹值。

S405，基于不同的温度载荷速、转速和预紧力力矩设计多个不同的单一工况，对多个初始环氧树脂试验件分别基于不同的单一工况进行载荷实验，获取载荷实验后获得的多个目标环氧树脂试验件，初始环氧树脂试验件与单一工况一一对应。

采用环氧树脂制作的初始环氧树脂试验件进行模化试验，进行模化试验设计时，需综合考虑试验中模型尺度、受载荷比例、试验台架情况等诸多影响，不同的温度载荷、转速和预紧力力矩对应实际运行过程中的不同工况，用以模拟转子在不同工况下的受力情况。

按照模化试验方案，对初始环氧树脂试验件进行载荷试验，将载荷试验后得到的环氧树脂试验件作为待进行分析的目标环氧树脂试验件。其中，每件初始环氧树脂试验件仅可进行单个工况的试验，以确保应力条纹之间的影响较少，减少试验结果分析过程中产生的误差。

S406，沿轴向方向对目标环氧树脂试验件进行均匀分段，获得分段后获得的多个试验件段，并对每个试验件段进行中心区域的切片取样，获取多个初始样本切片。

示例性的，可沿轴向方向对目标环氧树脂试验件进行均匀分段，比如说沿轴向方向对目标环氧树脂试验件均匀分成10段，获得分段后获得的多个试验件段，并对每个试验件段进行中心区域的切片取样，获取多个初始样本切片。

其中，对每个试验件段进行中心区域的切片取样时，切片厚度不超过1毫米。

S407，以初始样本切片的轴线为中心，基于第一设定距离在初始样本切片上做圆以获取圆形轨迹，对圆形轨迹进行等间距分割，获取分割后的多个等间距采样点，分别以每个等间距采样点为圆心，基于第二设定距离为半径在初始样本切片上进行圆孔取样，获得多个采样圆形切片。

由于初始样本切片的截面较大，以初始样本切片的轴线为中心，基于第一设定距离在初始样本切片上做圆以获取圆形轨迹，对圆形轨迹进行等间距分割，获取分割后的多个等间距采样点，分别以每个等间距采样点为圆心，基于第二设定距离为半径在初始样本切片上进行圆孔取样，获得多个采样圆形切片。

其中，对每个初始样本切片进行圆孔取样时，取样圆孔直径不超过10毫米。

S408，针对任一目标环氧树脂试验件，将各采样圆形切片分别放置于激光偏振光场内进行光弹性实验，记录激光偏振光场内的光路的彩色条纹图像。

图5是本申请一个实施例示出的一种激光偏振光场示意图，如图5所示，激光偏振光场包括光源、起偏振镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、验偏镜和高速摄像机。在进行光弹性实验时，将采样圆形切片4放入，光线从光源1处出发，通过起偏振镜2变成偏振光，偏振光透过第一四分之一波片3后通过采样圆形切片4，然后再经过第二四分之一波片5后进入验偏镜6，最终到达高速摄像机7处，高速摄像机7将光路记录下来。

S409，将彩色条纹图像转化为灰度图像，并运用剪应力差法对灰度图像进行分析，获得灰度图像的全场剪应力分布和主应力迹线。

S410，将全场剪应力分布和主应力迹线作为实验数据，并将实验数据与标定条纹数据进行对比，获取该目标环氧树脂试验件的对比结果。

S411，对所有目标环氧树脂试验件分别对应的对比结果进行整理分析，获取转子的强度分析结果。

对所有目标环氧树脂试验件的对比结果进行分析，比较不同试验件之间的差异和相似性，并得出相应的结论。基于分析结果，评估转子的强度表现。

本申请至少实现以下有益效果：(1)本申请提出的转子强度的分析方法克服了现有接触式转子强度分析方法三维应变场测量难度大、电磁干扰信号多、被测对象动态特性发射的缺点，将转子实际运行载荷作为边界条件对转子模型进行试验，从而得到精确的应力分析结果。(2)本申请提出的转子强度的分析方法能够有效降低试验台架的建设费用或改造费用，通过制作环氧树脂试验件，将尺寸巨大的转子模化，降低了试验成本。(3)本申请提出的转子强度的分析方法能够获得传统分析方法较难获得的转子内部应力分布试验结果，减少了测量误差，能够得到更为可靠的强度分析结果。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。