動(dòng)力學(xué)相似理論に基づく大型高速回転機(jī)械基礎(chǔ)構(gòu)造部品の設(shè)計(jì)に関する基礎(chǔ)理論*

羅 忠 韓清凱 王徳友 劉永泉

動(dòng)力學(xué)相似理論に基づく大型高速回転機(jī)械基礎(chǔ)構(gòu)造部品の設(shè)計(jì)に関する基礎(chǔ)理論*

羅 忠 韓清凱 王徳友 劉永泉

羅 忠 博士 副教授 110819 遼寧省瀋陽(yáng)市東北大學(xué)機(jī)械工程と自動(dòng)化學(xué)院 zhluo@mail.neu. edu.cn

韓清凱 工學(xué)博士 教授 116023 遼寧省大連市大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 hanqingkai@dlut.edu.cn 411201 湖南省湘潭市湖南科技大學(xué)湖南省機(jī)械裝備健康保全重點(diǎn)実験室

王徳友 工學(xué)博士 研究員 110015 遼寧省瀋陽(yáng)市瀋陽(yáng)発動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所 wangdy606@163.com

劉永泉 工學(xué)博士 研究員 110015 遼寧省瀋陽(yáng)市瀋陽(yáng)発動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所

*中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究発展計(jì)畫プロジェクト(973計(jì)畫プロジェクト)『複數(shù)臺(tái)のハイエンド圧縮機(jī)の平穏的で高効率な運(yùn)行及びインテリジェント化についての基礎(chǔ)研究』(No.2012CB026000)、中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金援助プロジェクト『回転構(gòu)造部品モデル実験の動(dòng)力學(xué)相似理論及びその応用研究』(No. 51105064)、中央所屬大學(xué)の基本科學(xué)研究経費(fèi)の援助による教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人材育成プロジェクト『混合式複數(shù)ローターシステムの動(dòng)力學(xué)相似理論に基づく実験モデルの設(shè)計(jì)方法についての研究』(No.N1305030011)

要約:中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究発展計(jì)畫(973計(jì)畫プロジェクト)プロジェクト『複數(shù)臺(tái)のハイエンド圧縮機(jī)の平穏的で高効率な運(yùn)行及びインテリジェント化についての基礎(chǔ)研究』)、中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金援助プロジェクト『回転構(gòu)造部品モデル実験の動(dòng)力學(xué)相似理論及びその応用研究』、並びに中央所屬大學(xué)の基本科學(xué)研究経費(fèi)の援助による教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人材育成プロジェクト『混合式複數(shù)ローターシステムの動(dòng)力學(xué)相似理論に基づく実験モデルの設(shè)計(jì)方法についての研究』の共同サポートにより、大型高速回転機(jī)械の基礎(chǔ)構(gòu)造部品に対して、相似理論に基づき、動(dòng)力學(xué)相似設(shè)計(jì)理論について研究を展開(kāi)し、ここで研究成果を報(bào)告する。

大型高速回転機(jī)械の基礎(chǔ)構(gòu)造部品は回転速度、遠(yuǎn)心力、曲げモーメント、トルク荷重回復(fù)、ジャイロモーメントと寸法効果などの要素に影響されやすいので、ただ理論解析とデータシミュレーションの方法だけでは、その機(jī)械の動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)にかかわる問(wèn)題を徹底的に解決できなく、物理的な実験検証が必要だと思われる。だから、今度の研究を通して、弾性薄板の部品をモデルにして、大型高速回転機(jī)械の基礎(chǔ)構(gòu)造部品に関する、動(dòng)力學(xué)相似理論に基づく実験モデルの設(shè)計(jì)方法を確立した。

構(gòu)造振動(dòng)テストの中で觸れた基礎(chǔ)構(gòu)造部品についての相似設(shè)計(jì)理論と方法を分析し、力學(xué)相似定義を提出した。つまり、モデルと原型は作業(yè)している過(guò)程中、その動(dòng)力學(xué)的固有特性、振動(dòng)モード、動(dòng)力學(xué)応答行為、ひいては典型的な故障特徴が一定の範(fàn)囲においては一致、あるいは固定比例関係になるという相似現(xiàn)象を呈している。

基礎(chǔ)構(gòu)造部品に対する動(dòng)力學(xué)相似設(shè)計(jì)の基本理論體系を確立した。中には完全相似実験モデルの設(shè)計(jì)基準(zhǔn)と相似関係の成り立つ方法、歪みのあるモデルの設(shè)計(jì)方法とその相似関係の修正方法も確立された。理論解析、データシミュレーションと実験検証を結(jié)び付けて研究するという方法を通して、モデルと原型の間の構(gòu)造パラメーター、材料パラメーター、荷重條件と臨界條件との相似比例の寫像関係を確立した。これで、以下のような四つの動(dòng)力學(xué)相似基準(zhǔn)はまとめられてきた。すなわち、相似モデルと原型は共通の振動(dòng)モードを持っている;一定の比例で縮小された完全幾何相似の小型モデルは原型に対して、その固有周波數(shù)は幾何縮小比例と反比例になる;ただし、その縮小された小型のモデルと原型の作成材料が異なる場(chǎng)合、その固有周波數(shù)は弾性率と密度との縮小比例數(shù)の平方根とは正比例になる;付加質(zhì)量で構(gòu)造の固有周波數(shù)を調(diào)整することができる一方、モーダル順序を大きく変化させる可能性もある。

相似モデル実験は物理的な方法で動(dòng)力學(xué)特性とその応答過(guò)程を有効に展示し、原型の典型故障特徴、模擬実験結(jié)果によって求めてきた原型の動(dòng)力學(xué)パラメーターとその特徴を再現(xiàn)することができる。モデルパラメーターと條件が原型と完全に相応比例関係にならない場(chǎng)合、基礎(chǔ)構(gòu)造部品の実験モデルは歪みが出てくる。それはなぜかというと、作成材料の歪み、幾何寸法の歪みが原因である。歪みが出てくるメカニズムを探究し、モデルの歪み修正方法とモデルの幾何適用區(qū)間の判定方法を提出した。歪みのあるモデルの修正について、一定程度の修正は可能であり、動(dòng)力學(xué)相似モデルの幾何適用區(qū)間はその誤差コントロール?yún)^(qū)間とモーダルコントロール?yún)^(qū)間とはかかわりがある。相似実験モデルは高次動(dòng)力學(xué)相似のパラメーターの設(shè)計(jì)要求にはさらに厳しい。

弾性薄板で構(gòu)成した部品を?qū)澫螭摔?、相似関係を簡(jiǎn)略化させることを目指し、次元解析法を通じて弾性薄板の完全幾何相似と不完全幾何相似のモデル(歪みのあるモデル)と原型との相似関係の成り立つ方法を提出した。まず弾性薄板の固有特性問(wèn)題に対しては、解析とデータによってパラメータの敏感性分析を行い、以下のような結(jié)論をまとめてきた。弾性薄板の振動(dòng)方式によって、それに相応する固有周波數(shù)が幾何寸法変化に対する敏感性は違う;弾性薄板が振動(dòng)中、ある點(diǎn)の振幅が幾何パラメーターに対する敏感性はその相対変位に関係がある;ポアソン比の影響は非常に小さくて、自體相似性も持っているので無(wú)視してもよい;作成材料は振動(dòng)相似を影響する要素ではなく、幾何寸法は動(dòng)力學(xué)相似を影響する要因である。次には、歪みのある実験モデルを打ち立てるため、歪みのある弾性薄板モデルの歪み係數(shù)を?qū)Г訾筏?歪みのある弾性薄板部品モデルの幾何適用區(qū)間の判定方法を提出した;歪みのある基礎(chǔ)構(gòu)造部品モデルの修正方法も提出した。つまり、過(guò)渡的なモデルのデータ修正方程式を設(shè)立し、動(dòng)力學(xué)特性相似パラメーターの修正係數(shù)を求め、モデルの実験結(jié)果を修正する。実験研究成果から見(jiàn)ると、違う材料で作った相似モデルの実験結(jié)果に比べて、同じ材料で作った相似モデルの実験結(jié)果はよい?？s小比例が大きなモデルの実験結(jié)果も縮小比例が小さなモデルの実験結(jié)果よりよい。

いろいろまとめてみると、動(dòng)力學(xué)相似設(shè)計(jì)には共通的に適用できるいくつかのステップを提出した。それに、大型高速回転機(jī)械の基礎(chǔ)構(gòu)造部品の動(dòng)力學(xué)相似設(shè)計(jì)理論の枠組みも確立され、動(dòng)力學(xué)相似設(shè)計(jì)には従わなければならない11項(xiàng)の科學(xué)結(jié)論も研究成果として明らかになってきた。

キーワード:相似理論 動(dòng)力學(xué)相似 相似基準(zhǔn) 幾何相似 大型高速回転機(jī)械 基礎(chǔ)構(gòu)造部品 弾性薄板 実験モデルの歪み モデルの歪み修正 データフィッティング モデルの幾何適用區(qū)間 モデル設(shè)計(jì) 次元解析法 固有特性 応答特性 集中質(zhì)量 モーダルレギュレーター

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