摘 要

本文借助机械模型建模软件Solidworks首先针对高温旋转实验平台进行设计搭建，设计搭建试验平台的各个部分，安装高温箱体，并采用光纤测量的设计方法进行设计，整体设计根据材料力学原理，并在设计时一定程度上考虑了零部件的加工难度和配合方式。对部件安装进行设计思路的比较，整体遵循国家标准。然后使用国际认可的有限元仿真软件Ansys对旋转体进行一定环境下（高温、高速固定转速、一定时间内）有限元耦合分析，分别得出设定条件下旋转材料所受的总变形、等效弹性应变、最大主应力、等效应变、法向应力等各项指标，并得出所受应力和位移的最大值和最小值的图像位置，将仿真所得数据与材料的许用应力和振动位移进行比较，得出结论。所得结果对于高温旋转光纤系统的设计仿真具有重要的指导意义。

论文主要研究了高速旋转转子在一定条件下的各项数据变化，以及设计可以支撑该系统完成实验的机械实验平台。

研究结果表明：该实验平台设计满足材料的材质要求，仿真结果符合旋转平台结构要求。

本文的特色：给出实验平台的具体设计方案和实际建模，结合光纤测量技术仿真给出各项数据以供参考。

关键词：高温旋转；光纤测量；结构仿真；应力分析

Abstract

This paper uses the mechanical model modeling software Solidworks to design and builds the high temperature rotating experimental system platform first, designs and builds various parts of the test platform, installs the high temperature box, and designed by the fiber measurement design method. The overall design is based on the material mechanics principle, and In the design, the processing difficulty and the matching method of the parts are considered to some extent. The comparison of design ideas for component installations follows the national standards as a whole. Then, use the internationally recognized finite element simulation software Ansys, the finite element coupling analysis of the rotating body under certain circumstances (high temperature, high speed fixed speed, certain time) is used to obtain the total deformation and equivalent of the rotating material under the set conditions. Elastic strain, maximum principal stress, equivalent strain, normal stress and other indicators, and obtain the image position of the maximum and minimum stress and displacement, the simulated data and the allowable stress and vibration displacement of the material Compare and draw conclusions. The obtained results have important guiding significance for the design and simulation of high temperature rotating fiber system.

The paper mainly studies the data changes of high-speed rotating rotor under certain conditions, and the mechanical experimental platform designed to support the system to complete the experiment.

The research results show that the design of the experimental platform meets the material requirements of the material, and the simulation results meet the structural requirements of the rotating platform.

The characteristics of this paper: give the specific design scheme and actual modeling of the experimental platform, combined with the optical fiber measurement technology simulation to give the data for reference.

Key Words：High temperature rotation; fiber measurement; structural simulation; stress analysis

目录

第1章 绪论…………………………………………………………………………..1

1.1 课题研究背景及意义………………………………………………………………………1

1.2 国内外研究状况……………………………………………………………………………2

1.3 课题来源及主要研究内容…………………………………………………………………3

1.4 论文主要章节架构…………………………………………………………………………3

第2章高速旋转实验平台应用………………………………………..……………..5

2.1实验平台需求分析……………………………………………….…………………………5

2.2实验平台旋转监测结构设计…………………….…………………………………………6

第3章 高温旋转实验系统设计……………………………………………………..8

3.1 设计软件介绍………………………………………………………………………………8

3.2 实验平台结构简介…………………………………………………………………………8

3.3 高温旋转系统结构设计……………………………….…………………………………..9

3.3.1 电机及其支撑结构…………………………………………………………………...9

3.3.2 底板设计………………………………………………………………………………10

3.3.3 双膜片联轴器及轴承…………………………………………………………………11

3.3.4 主轴设计………………………………………………………………………………12

3.3.5 支撑架设计……………………………………………………………………………14

3.3.6 旋转转子圆盘…………………………………………………………………………16

3.3.7 高温试验箱及其装配…………………………………………………………………17

3.3.8 光纤准直器设计及其支撑结构………………………………………………………18

3.4 光纤监测方案设计……………………………………………………………………….. 20

第4章 高温旋转实验系统仿真研究……………………………………….………21

4.1 仿真软件介绍……………………………………………………………………………..21

4.2 仿真过程研究……………………………………………………………………………..21

4.3 仿真结果分析……………………………………………………………………………..22

第5章 总结与展望…………………………………………………………..……..26

5.1 全文总结…………………………………………………………………………………..26

5.2 研究展望…………………………………………………………………………………..26

参考文献…………………………………………………………..…………………28

致谢…………………………………………………………………………………..29

第1章 绪论

近年来，光纤传感技术不断更新迭代，已经发展成为一门技术完备、工艺精湛的学科，光纤传感器也多次应用于测量温度、变形、应力、位移等场合。本次设计采用非功能性光纤传输测量，在软件中模拟搭建高温旋转系统，并对旋转系统进行合理仿真分析，得出结论，证明该设计符合设计标准和设计要求。在此系统中，设计光纤的测量方式和测量通路，在此基础上安装光纤传输耦合装置——光纤准直器，进行光信号传输的精准耦合，可实现机械平台、测量设备（旋转机械平台和静止测量设备）之间信号的稳定传输，然后再接入光纤光栅解调仪最后连接至电脑终端，电脑终端进行测量数据图像分析及计算。本文设计的设计主体为包括主轴旋转体、电机模块、高温加热模块、光纤准直模块在内的的建模设计，可提供具体尺寸和热固耦合仿真。光纤光栅解调仪和电脑终端在示意图中给出，在此不进行详细讨论。

1.1 课题研究背景及意义

大体上，光纤传感技术的滞后制约着我们国家多方领域的积累和发展，在工业生产和工业处理中，高温高转速等特种条件十分多见，如何能设计出能够适应多种条件还可以稳定精确工作的机械系统成为重中之重。通过光纤及应变片在转子圆盘上的分布测量，将测量值以在光纤中的光波参量进行传输调制。

光纤传感技术可以应用于测量机械应变，尤其是应用于特种加工环境的信号传输和应变检测，本文中，光纤光栅技术的应用主要集中于光纤应变片和光纤的排布还有光纤准直器的设计应用。光纤准直器利用光场的聚焦性和直线传播性，当光场重合时，光纤信号可实现从旋转端到静止端的传输。光纤准直器的研究对光纤传感领域的扩展具有重大意义，也是国内外一直研究的课题。

光纤光栅检测技术是一种新型的光纤传感技术，光纤传感普遍应用于不同环境下各种复杂结构、高转速旋转机械设备状态监测还有大型机械测试监测等等场合，尤其针对复杂工况和高温环境下的机械在线动态监测，光纤光栅检测技术的特点是：（1）可以稳定运行抗干扰（2）可通过光栅应变片实现多点分布测量以及多参数综合测量（3）精度较高，损耗较少（4）测试系统稳定性高，使用寿命和在线检测时间较长等诸多优势。当光纤信号要从高速旋转动端传输至数据接收静段时，就要用到光纤准直器。光纤准直器由准直器尾部光纤接头与自聚焦透镜精确定位而成。作用是可改变光路，将光纤之中的传输光信号通过折射转变成平行光，成为准直光，另一部分将外界平行或者近似平行光折射耦合至单模光纤内，完成传输。光纤准直器可采用单透镜也可采用双透镜，光路可在空气中传播。光纤准直器可实现旋转机械和监测仪器的动静转换，是一门新兴的研究领域，其传输效率与传统的电滑动环相比有许多不同，光纤准直器的传输效率较高，可有效降低损耗，光通路传播稳定性较高，同时体积小，安装使用方便，无辐射，安全性也较高。电滑动环的技术相对比较成熟，但因其传输信号的带宽低，电耦合互连自身存在着能源消耗大和抗干扰能力差等缺点，使得电滑动环的应用只能局限于传输效率不高容量小的场合。相比电滑动环而言，光纤传输以其优越性受到国内外研究者们的广泛关注。

大部分情况下，旋转机械的光纤光栅技术应用都会采用光纤旋转机械结构，，即光线旋转连接装置。而旋转机械的状态监测也主要分为两种实验工况：一类是近似实验室环境下的旋转平台，如精密机床、数控中心的主轴状态监测，旋转轴扭振测试平台等其它实验室环境下研究的旋转机械。这类机械的检测场合相对较为安静，实验条件近似理想条件，干扰较小；另一类则是工业环境中的旋转平台，如大型汽轮机转子、航空发动机转子等，这类机械机构的光栅检测环境较为恶劣，振动大，环境干扰较大。本文着重研究工业环境下高温高速旋转圆盘转子的机械结构、机械应力、测量方案合理性。将使用solidworks2018版本来实现整个旋转实验平台的建模和工程图出图，保持旋转机械中心和光纤准直器对光中心在同一水平线上，其尺寸、应力应变等等符合工程力学科学定律。取旋转转子圆盘零件建模在Ansys18.0中进行温度、结构、高转速的耦合仿真分析，找出旋转结构中应力极值发生的部分位于转子何处，分析其应力、位移变化分布，然后进行比较。本文的研究工作即为设计可以在高温高转速下稳定运行的高速旋转系统及其附加光纤旋转准直器，使整套系统达到其工艺要求。

一般来说，光纤准直器和旋转系统的设计是难点所在。对于旋转系统来说，如何设置结构安装顺序，如何安装高温箱体确保实验环境的稳定性都是需要重视的问题。对于光纤准直器来说，光纤准直器受透镜位置位移的影响比较大，这就说明在设计的时候需要考虑到透镜工作中心保持水平一条直线上及定位安装固定精度的问题，既要保证灵活性和可调性，同时也要保证旋转稳定性和位置位移不变性。故研究光纤旋转连接器的信号传输问题还需要从这两个阶段具体考虑，此类研究在光纤领域还留有一定空白，深入研究精密机械设计和光信号的旋转传输理论将促进光纤传感领域的发展，为光纤传感市场开辟广阔商机，具有重大战略意义和研究价值。

1.2 国内外研究状况

相比于高速旋转叶片，高速旋转圆盘更适用于有特殊工艺要求的加工工况，比如污泥处理方面和污水净化分离方面，对我们的日常生活影响深远。

国内有不少化工公司针对污泥处理设计了不同的机械结构，同时也对加工场景和加工过程的不同方向的仿真分析，比如对轴的热应力分析，对机械结构的稳定性分析等等，使其达到良好的搅拌分离效果。设计结构一般要达到功耗低、无噪声污染、低震动误差等等要求，所过滤加工的主体一般都为水黏性较高的废物废料。旋转圆盘干燥机的核心部件是转子，转子的结构和参数不仅影响干燥机的使用寿命和运行安全，同时也决定了干燥的工艺性能和传热效率。分析转子的受力情况和振动位移特性，对旋转圆盘干燥机的设计和优化有指导意义^[1]。

20世纪50年代，自从光纤被发明以来，国外就掀起了研究光纤传输特性及应用实践的研究，将自旋转连接设备和光纤监测传输系统应用于军事、装备制造、科学研究等等领域。尤其是光纤旋转连接器和高速旋转系统的设计创新更是走在世界前列。在应用分析方面，国外公司设计发布的有限元分析和3D建模软件使用普及率很高，设计软件的多元化、流程标准化、功能多样化逐步提升，数据的直观性、灵活性更是为使用者所称道。

1.3 课题来源及主要研究内容

课题来源：本科毕业设计课题选择，以及污泥处理旋转圆盘干燥机的结构启发。

课题题目：高温环境下的旋转实验测试系统设计

主要研究内容：结合科研项目，主要针对设计的1200℃的高温实验炉，设计在高温环境下的旋转实验装置及控制系统，具体内容是：（1）根据高温实验炉的结构，确定旋转实验装置和控制的方案与结构；（2）计算和仿真分析旋转实验装置和控制系统的特性和安全性；（3）开展旋转实验测试系统调试和实验分析。采用虚拟仪器机械制造仿真技术完成本次课题实践。

1.4 论文主要章节架构

本文主要结构分为六大章节。

第一章：主要介绍了论文的研究题目、研究内容、国内外发展现状和研究意义，总结了文章主要架构。

第二章：介绍了本文所使用的监测系统——光纤监测系统的原理和基本知识，选择适合本实验的光纤型号。

第三章：主要介绍了建模工具和试验平台的各部分，其中包含部分计算和结构分析说明和各种必要的图示说明。

第四章：主要介绍了Ansys有限元分析软件，及其仿真结果分析和说明，分析本文所设计的系统是否符合要求。

第五章：全文总结及研究展望，总结了本文的研究成果和实验不足之处，对未来的改进研究进行了大致说明。

致谢、参考文献及附录：对本文提供帮助的人员致以感谢，列出本文所引用的参考文献和说明，在附录中贴出完整装配图和剖视图。

第2章 高速旋转实验平台应用

2.1 实验平台需求分析

在我们的生活和工业生产中会产生大量的污泥，如果将这些污泥直接排放会对周边环境造成无法挽回的污染，固需要一种可以处理污泥的设备，可以做到有效分离污泥和可回收再利用物质的目的。在实际的污泥处理工艺中，可采用旋转圆盘干燥机设备对污泥进行热过滤处理。

污泥是一种含水率极高的沉淀物质，其中可能存在废渣残片、细菌、化学物品等各种对环境影响极深的污染物。每年世界污泥产量居高不下，随着我国工业化进程不断加快完善，我国的污泥废料处理问题也日益严峻。经过高温旋转圆盘干燥机的处理，污泥中孔隙水的含量会大幅度减少，固体含有率大幅度提升，从而便于进行后续处理和回收。

高温旋转圆盘干燥机的主要机械结构就是旋转圆盘部分，如图2-1，本文设计了一个高温旋转实验测试平台，旋转转子为有一定厚度的圆盘，通过模拟圆盘在1200°C，3000r/min转速下的工作状态来推测出高温旋转圆盘干燥机工作时的应力分布，来监控干燥机的工作效率，具有一定实用性。

图2-1 旋转圆盘干燥机旋转圆盘部分

经过环境分析，决定采用光纤传感测量技术实现高温旋转圆盘的工作应力分布监测，光纤的工作温度高，适用于高温复杂环境的检测，下文给出光纤监测的损耗分析和光纤旋转测量仪器的设计。

在旋转光纤模型研究中，插入损耗是光纤光信号发生损耗的主要模式。其决定了旋转光纤性能的好坏，插入损耗的一般定义为：输出端光功率和全部输入端光功率的比值取对数再乘以10倍的负值。即

（dB） （式2-1）

衰减系数α由每千米的光纤信号损耗值来确定，如公式2-2所示，式中L为光纤长度；输入端光功率由表示；光信号传输 L Km后的光功率由表示。

(dB/Km) （式2-1）

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