航空发动机承力结构系统阻尼减振设计方法

针对典型高推质比涡扇发动机承力结构系统,提出了干摩擦阻尼减振的结构振动控制方法:在不损失支承刚度的前提下,于承力结构上设计具有动力吸振作用的干摩擦阻尼器,增强转子支承结构系统在宽频域内的阻尼特性,实现在工作转速频率内对承力结构振动响应的有效控制。通过理论分析和仿真计算,确定了干摩擦阻尼器结构特征及摩擦接触条件对减振效果的影响规律,并提出了承力结构阻尼减振的设计思路与流程。结果表明:干摩擦阻尼器可通过接触摩擦消耗承力框架的振动能量,合理设计阻尼器的摩擦因数和爪宽将进一步优化减振效果,算例中轴承座局部共振幅值衰减超过1个量级。      

旋转叶片干摩擦阻尼结构模型及分析方法研究综述

旋转叶片是航空发动机的关键部件,其振动特性及振动抑制技术对发动机的性能和结构完整性、工作可靠性产生重要的影响,在各类叶片振动抑制方法中,干摩擦阻尼结构应用最为广泛。首先,详细地阐述了旋转叶片干摩擦阻尼器动力学建模及其发展现状;然后,介绍了旋转叶片干摩擦阻尼结构减振特性分析方法及其发展现状,最后,提出了基于不同结构形式的叶片-地(B-G)型和叶片-叶片(B-B)型、基于接触面相互作用的干摩擦阻尼数学模型、基于接触点描述的干摩擦阻尼接触模型以及根据相对运动关系形成的干摩擦接触运动模型,以期为旋转叶片减振结构的建模设计、提高可靠性和效率、减振延寿等方面提供理论和技术支持。     

豆包阻尼器的减振特性研究

豆包阻尼器是一种以柔性约束下非连续颗粒介质为特征的阻尼器。研究了豆包阻尼器在不同振动条件下的减振特性,揭示了主系统激励力、阻尼、固有频率以及豆包和主系统之间的间隙等参数的变化对其减振效率的影响规律,得到了对工程应用有指导意义的结论。     

一种摩擦阻尼器在整体叶盘结构的应用

介绍了一种应用于整体叶盘结构的摩擦阻尼器,即在轮缘下方加工销孔,安装阻尼销.工作时,由于离心载荷的作用,阻尼销与轮缘相互摩擦,从而消耗振动能量.这种阻尼器被应用于两台发动机的涡轮整体叶盘减振方案中,试验结果显示:其减振效率差异较大.数值模拟分析证明,这种阻尼器的减振效率和振动能量在叶-盘间的传递有关.对于叶-盘强耦合振型,这种阻尼器可以获取较高的减振效率,叶片振动应力水平下降了约70%;但对于叶-盘弱耦合振型,叶片振动应力幅值没有明显下降趋势.      

金属橡胶挤压油膜阻尼器阻尼性能分析

为了降低发动机转子高速旋转产生的振动，提高发动机的使用寿命，设计了一种端部安装金属橡胶环的新型挤压油膜阻尼器，并在π油膜假设条件下，利用斯托克斯方程和雷诺方程，给出了新型金属橡胶挤压油膜阻尼器的流量表达式以及非线性油膜力的近似表达式。通过传统短挤压油膜阻尼器和新型金属橡胶挤压油膜阻尼器的流量特性和油膜力特性的对比分析，表明新型金属橡胶挤压油膜阻尼器具有更好的阻尼性能和良好的节流特性。并通过试验证明了新型金属橡胶挤压油膜阻尼器具有更好的阻尼减振效果。     

航空发动机转子挤压油膜阻尼器设计方法

将挤压油膜阻尼器设计与转子动力学设计相结合,建立了航空发动机转子挤压油膜阻尼器设计方法和设计流程.转子参数为转子阻尼、临界转速配置、最大不平衡量、转子振动峰值,以及支承外传力等,挤压油膜阻尼器设计参数为轴颈偏心率、油膜半径间隙、油膜长度和鼠笼刚度.设计目标是控制转子临界峰值和支承外传力.其中转子阻尼与最大不平衡量为挤压油膜阻尼器设计的关键参数.利用一实验器,对该设计方法进行了数值仿真和实验验证,结果表明:转子振动响应临界峰值减振比例可达60%以上,说明所建立的设计方法是正确有效的,可为挤压油膜阻尼器设计提供指导.      

仪器安装用阻尼减振垫的研制

本文介绍了仪器安装用阻尼减振垫的结构参数计算及阻尼减振垫原材料的选择。根据技术要求,通过结构参数设计计算,确定了阻尼减振垫用阻尼材料的动态力学性能参数,为阻尼减振垫的材料选择及配方设计提供了依据。测试结果表明,该阻尼减振垫减振效果良好。     

颗粒阻尼对直升机旋翼桨叶减振效果的试验

 为探索直升机减振技术的新方法,研究颗粒阻尼技术在直升机旋翼桨叶减振中的应用,设计了直升机旋翼桨叶模型及其相应的颗粒阻尼器形式,利用试验方法研究了颗粒阻尼对非旋转及旋转桨叶模型的阻尼减振效果。试验结果表明：颗粒阻尼可以有效提高非旋转桨叶模型的前3阶阻尼水平,尤其可使桨叶第3阶模态阻尼比提高一个数量级甚至更多;在较低的转速范围内,颗粒阻尼还可以克服离心力作用,使旋转桨叶模型的挥舞和摆振加速度响应水平均得到有效削减,充分表明了颗粒阻尼作为一种振动控制手段应用于直升机旋翼桨叶的可行性。     

基于冲击阻尼的深孔车削减振 车刀设计

针对内圆车削过程中特别是大长径比内孔车削时,径向力造成工件振动或变形,影响加工精度和表面质量的问题,开展基于冲击阻尼器的减振车刀研究。首先基于欧拉–伯努利梁理论,通过建模仿真开展冲击阻尼机理研究;其次对不同的切削参数与阻尼参数,运用模拟退火算法,优化单侧间隙、恢复力系数等变量,使减振车刀主模态负实部最大化,提升车削稳定性;最后基于冲击阻尼原理设计减振车刀并进行切削试验。试验结果表明,当转速n=400r/min,进给量f=0.1mm/r,切削深度a_p=0.4mm时,内置冲击阻尼器可使长径比为7的内圆车刀径向振动加速度由46.5m/s~2下降到4.0m/s~2;工件表面粗糙度R_a由4.62μm下降到1.95μm。     

薄壁结构干摩擦阻尼减振设计分析

加装干摩擦阻尼结构是航空发动机薄壁结构有效的减振手段。为提供工程可用高效的减振设计工具,建立了一种薄壁 结构干摩擦阻尼减振设计的分析方法及流程。给定薄壁结构的振动应力,针对不同的减振结构采用恰当的干摩擦接触模型,基于 能量耗散,计算干摩擦减振结构接触面所能提供的等效阻尼比,获得在所关注模态下减振结构所能提供的等效阻尼比随主结构考 核点振动应力变化的阻尼特性曲线。减振设计阶段目标为共振发生时,在结构许用振动应力下,减振结构能提供最优的阻尼比。 对4种常用的干摩擦阻尼结构进行了减振设计分析,结果表明：平板式缘板阻尼器优化质量为1.2 g、涡轮叶片锯齿冠优化预扭角 为0.5°（取许用振动应力50 MPa）时可得最佳阻尼效果;矩形截面阻尼环径向厚度和裂式阻尼套筒轴向长度在设计范围内取值越 大,阻尼效果越好。     

基于声学黑洞效应的直升机驾驶舱宽带降噪

声学黑洞（ABH）效应是利用结构阻抗的变化，使结构中传播的波相速度和群速度发生变化，在结构局部区域实现波的聚集，进而通过少量阻尼将能量耗损。该方法具有高效、轻质、宽频等优点，为结构振动噪声控制提供了新的思路，具有较强的潜能和应用前景。本文针对直升机驾驶舱复杂的噪声问题，根据噪声源和传递路径，提出基于ABH效应的内嵌式和附加式2种减振降噪设计方案。利用有限元软件建立了结构声振耦合模型，分析了直升机驾驶舱模型的声振特性，解释了ABH效应有助于降低舱室噪声的机理，并搭建了实验平台，开展了效果测试和性能评估。结果表明，内嵌式ABH结构可以有效降低舱内的中高频噪声，而低频控制能力略显不足。附加式ABH结构可以弥补这一局限性，拓宽有效频带。结合内嵌式和附加式ABH 2种控制方案，相比传统结构在总质量不增加甚至略有降低的前提下，舱室平均噪声水平在1/3倍频程内降低3~10 dB。该研究成果有助于推进ABH新技术在未来直升机工程减振降噪中的应用。     

约束阻尼型镗杆的优化及减振性能

孔加工过程中镗杆的切削颤振影响着表面加工质量和加工精度,约束阻尼型镗杆可有效抑制这种切削振动,但其作用机理未被完全研究清楚,导致其抑制振动的效果一般。对约束阻尼型镗杆的结构优化、材料优选及减振性能进行了理论和实验研究。首先,根据Kelvin-Voigt粘弹性力学模型理论建立了镗杆的动力学模型,研究证实增大镗杆的静刚度和结构损耗因子能提高其减振性能从而提高孔加工质量;其次,基于建立的约束阻尼型镗杆静刚度和结构损耗因子理论公式,对其进行结构优化、材料优选。结果显示:存在一个最佳尺寸范围可减小镗杆在主要工作频域段上的振动,同时所选用的阻尼层应具有较小的弹性模量和较大的材料损耗因子,约束层材料应具有较大的弹性模量;最后,设计制造4种不同材料的约束阻尼型镗杆,通过模态实验获得静刚度、结构损耗因子,并与理论计算结果进行对比分析,同时研究切削过程中约束阻尼型镗杆的材料及切削参数对减振性能的影响。结果显示:约束阻尼型镗杆能有效减小径向振动以提高加工质量,不同材料的约束阻尼型镗杆在切削过程中径向振动差别较大,优化后的钢-PMMA-硬质合金镗杆在不同切深及转速下的径向振动加速度较小且更加稳定。     

对转风扇设计技术研究

为了考察对转风扇的工程应用性,通过气动方案论证、气动设计技术研究、强度颤振分析研究、声学分析研究、非设计点匹配和调节研究以及进口畸变流场模拟研究,初步探讨民用大涵道比发动机对转风扇的设计技术,总结未来工程应用可能面临的问题以及解决方案。与常规风扇设计相比,对转风扇后排叶片在非设计点下的工作状态变化幅度较大,因此后排叶片的设计攻角选取不能过大。虽然较低的设计转速下转子叶片的振动频率不高,但也不必太过担心颤振问题,本文风扇在设计点并不会出现颤振问题。采用对转技术降低风扇转速是降低噪声的有效手段,本文设计的风扇远场最大声压级只有90 dB左右。对转风扇在非设计转速具有较好的性能水平,在工程应用时可以不必调节后排叶片的安装角。对转风扇对进气畸变的衰减作用十分有限,两排转子对转也使得畸变区域的周向相位移动并不明显。     

弹性环金属橡胶支承结构刚度设计与试验验证

 弹性环金属橡胶阻尼器(MRD/ER)是本文提出的一种有别于传统挤压油膜阻尼器的新型无油润滑转子弹性支承阻尼结构,其支承刚度主要来源于弹性环和金属橡胶,并利用金属橡胶阻尼元件提供结构阻尼。该结构具有良好的线性支承刚度且对转子振动阻尼减振效果明显,其限幅凸台限制转子系统可能出现的过大振幅,保证系统安全可靠。本文对该种弹性阻尼支承结构进行结构和动力学设计,并通过刚度阻尼性能仿真计算以及相应的试验进行验证,结果表明:在准静态试验中,阻尼器的组合刚度在大变形范围内具有良好的线性特征且具有稳定的阻尼性能;在动态试验中,结构动刚度随激振频率的增加而减小,在宽频域内具有较大的阻尼系数。     

考虑阻尼性能的复合结构多尺度拓扑优化设计

最优阻尼复合结构应该是阻尼材料自身的材料性能和阻尼材料在板壳结构上的分布形态均是最优的。针对板壳阻尼复合结构的多尺度设计问题,建立了基于非比例阻尼模型的复合结构多尺度拓扑优化方法,实现了阻尼材料在宏微观两尺度上的协同设计,同时获得最优的阻尼材料宏观分布形态和微观构型。以结构模态阻尼比为目标,分别研究了复合结构的单目标和多目标多尺度设计问题。结果表明,在单目标设计中,当最大化结构的某一阶模态阻尼比时,优化后结构的该阶模态阻尼比最大,同时结构在该阶处的频率响应最小;在多目标设计中,以结构前3阶模态阻尼比之和为目标,虽然在每一阶处的性能劣于单目标设计结果,但是结构前3阶模态阻尼比的总体性能更优。同时,从微结构的构型可得,最优的微结构构型中低刚度高阻尼材料的分布相互连接,其损失模量（微结构复弹性矩阵的虚部）和阻尼因子（微结构复弹性矩阵的虚部与实部之比）都相对较高,且呈现负泊松比现象。优化后复合结构的动力学性能显著提高。     

运载火箭阻尼安装板的设计

 <正>运载火箭在起飞和着陆时的瞬态载荷和飞行过程中的气动力的随机激励都是宽频带的。在这种环境中安装精密仪器的仪表板若采用过去常规的橡皮减振器减振已很难保证在较宽频带内都能起到应有的减振作用。利用阻尼材料做成的夹层板减振，国内外已做了大量的工作^[t~3]，取得了较为明显的效果。本文针对产品设计中要解决的减振问题，提出了设计思想、计算分析与试验方法。     

金属橡胶减振器用于发动机安装减振的研究

 为减小发动机传递至飞机机身结构的振动,设计了金属橡胶减振器用于航空发动机安装。对该金属橡胶减振器进行了动力学建模研究,采用有限元技术对安装减振器前后的飞机全机结构进行了仿真分析,初步表明了该设计对结构频率影响较小,但能引入较大阻尼,降低响应水平。在理论分析基础上,进一步将设计制造的金属橡胶减振器安装于某型飞机,进行地面开车,实测了应用减振安装前后飞机的动力学响应。结果证明了发动机减振安装的可行性与有效性。     

航空发动机自动平衡技术发展综述

针对航空发动机在运行过程中不平衡振动过大的问题,采用自动平衡技术进行在线质量补偿,可有效降低其振动水平。目前自动平衡技术主要运用于航空发动机结构、控制算法、工程应用3个方面。基于影响系数法的电磁驱动型自动平衡在美国空军C-130H运输机上得到工程应用,飞行测试4个发动机螺旋处的振动均低于1.27mm/s,降低了94%,因螺旋桨振动导致的压气机处振动降低了75%。研究结果表明:航空发动机自动平衡技术可实现在线持续动平衡,能有效降低发动机及其组件的振动疲劳损伤,降低发动机维护费用,延长维修周期。自动平衡技术在航空发动机领域得到工程应用是一个循序渐进的过程,还需要进一步开展结构设计、控制策略、系统集成等方面的研究工作,并在航空发动机设计阶段就考虑纳入自动平衡结构。