磁悬浮轴承刚度阻尼测试方法与转子系统有限元模型确认研究

磁悬浮轴承正广泛用于高速旋转机械，磁悬浮轴承的刚度阻尼（简称刚度阻尼）对研究"磁悬浮轴承-转子"系统动力学问题具有重要影响。目前国内外尚未提出能够被广泛接受的刚度阻尼测试方法，以及建立精确系统仿真模型的方法。本项目提出两种方法解决刚度阻尼的测量难题，其一是借用滑动轴承刚度阻尼测量思想采用动态激振法，将一个磁悬浮轴承倒置在一根高速旋转的轴上，在倒置的轴承上施加激振力并测量磁悬浮轴承相对于转子的位移和速度；方法二基于不平衡响应的测量方法，设计一套特殊的磁悬浮轴承转子系统，可在任一磁悬浮轴承的转子上施加不平衡力作为激振，并测量转子的位移和速度。此外结合有限元模型修正与确认技术，首先进行刚度阻尼参数辨识，并对磁轴承转子系统进行模型确认和评价，并研究磁悬浮轴承的刚度、阻尼对系统动力学影响。本项目将提供通用的刚度阻尼测定方法，以及精确建立磁轴承转子系统有限元仿真模型的方法，是系统动力学研究的前提。

本项目研究磁悬浮轴承系统动态特性参数测量方法、参数辨识方法，并初步研究磁悬浮转子系统的动力学模型确认技术，获得可靠的磁悬浮轴承转子系统模型，为高速高精度磁悬浮轴承的实际应用提供设计、优化和系统控制依据。进行了电磁力、位移刚度及电流刚度的理论与有限元法分析的比较，确定电磁力线性工作范围，并分析了耦合电磁力，为磁悬浮轴承支承参数识别提供依据。转子作为磁悬浮轴承系统中的重要部件，建模中的简化过程会导致模型的不够准确，会造成模型预测出的动力学响应与实际的响应不一致，因此分别进行了基于模态参数和基于频率响应数据修正转子模型。建立了不平衡响应测量磁悬浮轴承刚度阻尼的试验台；研究了基于转子动力学基本动力学方程的辨识方法及适用于柔性转子的改进方法；研究了基于模型修正的辨识方法，包括基于单纯形传递矩阵模型修正方法、基于响应面的有限元模型修正方法、基于FRF为目标响应的模型修正方法以及基于瞬态时域信号有限元模型修正方法；还完成了基于边界元的辨识方法。建立了脉冲激励测量磁悬浮轴承刚度阻尼的试验台，研究了转子动力学基本动力学方程的辨识方法。磁悬浮轴承的支承力主要由电磁力提供，因而可以从电磁力变化的角度来研究其支承特性，研究了基于电磁力测试磁悬浮轴承支承参数的辨识方法。系统控制频率特性决定了磁悬浮轴承的支承特性，通过测试控制系统频率特性获得了磁悬浮轴承刚度阻尼特性。对于磁悬浮支承的随转速变化的非线性问题，研究了单自由度磁轴承的非线性响应计算方法及其模型修正和不确定性识别问题，研究了转子支承刚度为正态分布的关键位置（最大位移响应点）的加速度频率响应变化预测。在有限元模型确认方法研究方面，研究了Kriging响应面代理模型在有限元模型确认中的应用，结合Kriging理论，实现了Kriging响应面代理模型在有限元模型确认过程中响应预测的应用。运用Adams与Matlab联合仿真建立了单自由度磁悬浮轴承系统的机电一体化模型。进行了PID控制参数与磁悬浮轴承刚度阻尼的关系研究。实现了基于H∞的主动磁悬浮轴承系统实时前馈力补偿控制。.已发表学术论文20篇，其中SCI、 EI源期刊9篇。获授权发明专利1项，申请发明专利2项。已毕业博士研究生1名，硕士研究生6名，另有在读博士1名，在读硕士研究生2名。