基于双重极值响应面法的叶盘联动可靠性分析

为了更准确地研究变形和应力对航空发动机叶盘性能的影响,在湍流模型理论和叶盘流场模型的基础上,提出了一种可靠性分析方法即双重极值响应面法(Dual Extremum Response Surface Method,DERSM)。在分析中考虑气体压力和离心力作用,合理选取随机输入变量,得到叶盘结构的总体最大变形和最大应力,并作为输出响应;对随机变量进行抽样,通过抽样点拟合各自的极值响应面方程;结合蒙特卡洛法对两个极值响应面模型进行联动抽样,计算出了航空发动机叶盘的可靠性概率。实例仿真表明:当叶盘最大允许变形量为4.2mm,最大许用应力为7.5×10~2MPa时,其可靠性概率为98.61%。与极值响应面法(Extremum Response Surface Method,ERSM)相比,DERSM在保证计算精度的前提下,计算效率提高23.52%,验证了DERSM在叶盘可靠性分析方面的有效性。     

基于ERSM涡轮盘径向变形的非线性动态概率分析

为了准确设计高压涡轮盘和叶尖间隙,从概率的角度进行了涡轮盘径向变形的分析。介绍了高精度高效率的非线性动态概率分析的极值响应面方法 (Extremum Response Surface Method,ERSM),并建立了其数学模型。考虑材料属性和边界条件的非线性,以及热载荷和离心载荷的动态性,基于ERSM对涡轮盘径向变形进行了非线性动态概率分析,得到了输入输出参数的分布特征和影响涡轮盘径向动态变形的主要因素。最后,通过方法比较,验证了ERSM在保证计算精度的前提下能大大提高计算速度,节约计算时间,改善计算效率。为进行更有效的涡轮盘设计和优化,改善叶尖间隙设计和控制的合理性提供了有效依据。     

基于ERSM 的涡轮机匣径向变形动态概率分析

针对复杂结构动态概率分析,提出了高效率动态概率分析的极值响应面方法(ERSM)。首先介绍了动态概率分析的极值响应面方法基本原理,并推导出了其数学模型;其次,考虑机匣材料属性与边界条件的非线性、热载荷动态性以及多个随机变量,将该方法应用到高压涡轮机匣径向变形概率分析中,得出了各输入输出随机变量的分布特征和影响机匣径向动态变形的主要因素。与Monte Carlo法和响应面法进行比较,结果表明:ERSM在保证计算精度的前提下,既能大大缩短计算时间,又能提高计算效率,同时也验证了该方法的可行性和有效性。     

基于智能双重响应面法的涡轮叶盘可靠性灵敏度分析

为了合理进行整体叶盘多失效模式可靠性分析和准确描述各影响参数的重要程度,将智能算法与双重响应面方法相结合提出可靠性灵敏度分析的智能双重响应面方法 (Intelligent Dual Response Surface Method,IDRSM)。首先,建立IDRSM的数学模型,给出基于IDRSM的可靠性灵敏度分析的流程。然后,考虑流场和温度场作用,基于IDRSM对整体叶盘径向变形和应力两种失效模式进行可靠性分析和灵敏度分析。可靠性分析显示:当许用径向变形、许用应力的均值和标准差分别取3.8mm和76μm,690MPa和14MPa时,叶盘综合可靠度为0.9926。灵敏度分析显示:整体叶盘综合失效概率的主要影响因素为流速和转速,占叶盘总失效的92%。通过蒙特卡洛法、响应面法、极值响应面法、智能响应面法等四种方法比较显示:IDRSM能在保证计算精度的前提下提高计算效率。实例分析表明该方法在多失效模式综合可靠性灵敏度分析中的可行性和有效性,也为结构多失效模式可靠性优化开辟了有效途径。     

失调叶盘结构模态特性及抗共振可靠度分析

为了探究航空发动机失调叶盘结构的固有频率在不同随机参数下的分布规律,建立了叶盘结构的有限元模型,对各随机变量选取了不同的失调程度.利用拉丁超立方抽样与响应面相结合的方法,对不同结构参数、工况下的叶盘固有频率进行了概率分析,得到了其在不同失调情况下的分布特性以及对各输入参数的灵敏度.利用工程振动理论建立了结构共振失效的极限方程,给出了叶盘结构在随机频率的激振力下的抗共振可靠度的计算方法,并对不同材料属性参数失调程度下的叶盘抗共振可靠度进行了计算,得出了叶盘抗共振可靠度在不同程度的材料属性失调下的变化规律.     

失谐叶盘系统避共振可靠度评估方法

基于振动设计理论,考虑失谐叶盘系统激振频率和模态频率的相关性,提出了1种航空发动机失谐叶盘系统避共振可靠度的计算方法。通过确定性分析和概率分析说明了失谐会增加叶盘系统避共振难度,并得到叶盘系统模态频率的概率分布特性。在此基础上,运用所提出方法,拟合得到失谐叶盘系统的避共振可靠度响应面,进而用该响应面计算不同结构谐波系数下失谐叶盘系统避共振可靠度。将计算结果与蒙特卡洛法及未考虑激振频率和模态频率相关性的传统方法的结果进行对比,验证了所提出方法在失谐叶盘系统避共振可靠性分析中的准确性。     

考虑稳态温度场的涡轮叶盘振动特性概率分析

为了研究稳态温度场及离心载荷的随机变化对涡轮叶盘振动特性的影响,利用有限元方法对稳态温度场作用下的涡轮叶盘结构振动特性进行确定性分析。在此基础上,采用含交叉项的二次响应面方法对叶盘结构振动特性进行概率分析,得到稳态温度场下叶盘结构振动特性的概率分布特征,并给出温度场及离心载荷等随机变量对叶盘结构随机性振动的模态频率的影响规律。最后,根据共振考核状态及坎贝尔图,结合转速与频率的相关性提出叶盘随机性振动避共振方法,并在几个典型工况下对叶盘结构随机性振动进行了避共振分析。结果表明,随机参数3%的变化能够导致叶盘共振转速区拓宽50%以上,并造成多个共振转速区重叠现象。     

航空发动机涡轮叶片径向变形的概率分析

为描述航空发动机涡轮叶片径向位移的变化规律,改善叶尖间隙设计和控制的合理性,考虑多种随机变量,融合有限元和响应面方法进行了叶片径向变形的概率分析。通过对涡轮叶片在典型载荷下的热分析和结构分析,计算出叶片变形随时间的变化规律,并找出最大位移点作为概率分析的计算点;在计算点处考虑热载荷和离心载荷作用,结合响应面拟合蒙特卡洛法计算出了危险点处的叶片径向变形的分布概率和符合设计要求的可靠度,并分析了影响间隙量的随机因素的灵敏度。结果表明:叶片径向变形量和安全变形概率基本符合设计要求;影响叶片径向位移变化的主要因素是温度、转速和质量。     

压气机转子错频叶盘结构振动响应分析

利用三维叶轮机械气动弹性分析软件AEAS,对某压气机转子错频叶盘结构进行了振动响应分析,比较了各计算参数、错频量对数值仿真精度和效率的影响。结果表明,谐响应分析和瞬态响应分析,可得到错频叶盘结构各叶片的瞬态位移或动应力响应,进而获得各叶片的位移放大因子。通过研究错频对叶盘结构振动响应的影响,可指导错频叶盘的结构设计,并为降低由失谐导致的航空发动机叶盘结构高循环疲劳失效提供依据。     

涡轮转子无螺栓挡板过渡态热固耦合响应分析

采用有限元方法间接耦合方式分析航空发动机涡轮转子过渡态热和变形响应,获取无螺栓挡板过渡态热与机械载荷共同作用下涡轮转子的温度场、变形和应力历程。结果表明,过渡态下的无螺栓挡板与涡轮盘径向配合面受力及挡板自身应力分布均与稳态下的差异明显,且过渡态无螺栓挡板应力峰值大于所有稳态值。为保证涡轮转子无螺栓挡板过渡态下工作安全可靠,应关注其过渡态响应特性。此结论可为航空发动机涡轮转子无螺栓挡板过渡态响应分析与无螺栓挡板设计提供工程参考。     

失谐叶盘振动模态局部化定量描述方法

基于实际叶盘结构失谐振动模态局部化的基本特性和物理含义,提出了三种模态振型局部化程度三定量描述方法,并利用这三种模态局部化因子进行了典型叶盘结构失谐振动模态局部化程度的定量确定。讨论了典型叶盘结构失谐振动模态特性。分析说明和实例计算表明,相应的局部化因子计算过程简单、物理意义明确,可以有效定量确定实际叶盘结构的叶片失谐导致振动模态产生局部化的程度。     

叶片-轮盘组件的动力特性研究

本文采用扇形厚板元和波传动法,计算了叶盘组合模型件的振动特性,讨论了组合体与单独叶片及轮盘振动特性的差异,分析了叶盘几何参数变化所产生的影响。文中还对某实际叶盘组件进行了有限元分析,并用实验方法作了检验,结果表明两者是吻合的。 用有限元法计算叶盘组合体振动,有两种较好方法:一种是Kirkhope和Wilson提出,后经Mota Soares等人发展成半解析的环形元法(即有限条法);另一种是后者提出的采用扇形厚板元的波传动法。这两种方法都具有取单元和节点数少、计算精度高等优点,较便于工程应用。然而,这些方法对实际叶盘组件进行计算的经验尚不多,国内外还没有精度高的范例。本文作者经过大量的计算考核,认为对实际叶盘组件的计算拟采用扇形厚板元与厚壳元的组合方案。     

某飞行科目中涡轮盘的损伤计算矢量喷管运动仿真

通过对某型航空发动机高压涡轮盘进行弹塑性有限元分析,计算涡轮盘在主次循环作用下的低循环疲劳寿命和寿命的概率分布,从而对涡轮盘在某飞行科目中的寿命损伤进行分析。对涡轮盘进行热分析;并对载荷谱进行分析处理,得出对涡轮盘损伤影响较大的主次循环和相应载荷谱;再对涡轮盘进行弹塑性分析,得到危险点处的应力、应变,计算涡轮盘确定性寿命和寿命的概率分布;利用线性损伤累积理论,得到涡轮盘在单次飞行和千小时飞行下的总损伤     

高结构效率的斜流压气机结构设计

针对高负荷斜流压气机的结构设计需求,引入和完善斜流叶盘的结构效率评估方法,用以协调各种设计要求和优化结构设计.基于提高结构效率的设计思想,提出“C”型和“M”型两种新型斜流叶盘结构方案,并通过平均应力值、振动鲁棒系数和轮缘变形协调系数3项的分析和结构效率系数的对比,论证了新型轮盘结构在减轻质量、提高可靠性和降低叶尖损失等方面的优势.分析结果表明:“M”型叶盘结构方案可使平均应力提高24.7%,质量降低20%,振动响应降低37.9%,轮缘最大变形降低67.6%.      

压电网络对叶盘结构气动阻尼的影响

首先通过引入气动影响系数,建立了振动相关气动力与系统振动位移成比例的线性模型。基于此导出了叶盘结构气弹耦合的线性振动方程。接着在叶盘结构中引入压电网络,建立了流 机 电耦合动力学方程；并采用集总参数等效模型研究了压电网络对叶盘结构气动阻尼的影响,对流 机 电耦合系统的特征值问题进行求解,获得了可作为系统气弹稳定性判据的模态气动阻尼比。研究表明,压电网络可以有效改善叶盘结构主要振动形式——节径型振动的气弹稳定性；通过对压电网络中电学参数进行优化设计,可以在较宽范围内提高叶盘结构的颤振边界；压电网络对弯曲振动模态气动阻尼的改善效果优于弯扭耦合振动模态。      

整体叶盘结构失谐振动的国内外研究状况

阐述了整体叶盘结构失谐问题,包括模态、响应局部化,局部化因子,失谐叶盘结构分析模型和求解方法,重点对近10年研究的热点问题,如非线性、颤振、灵敏度、气动与结构耦合、失谐识别与预测、失谐优化、“错频”失谐、多级多部件叶盘结构耦合、科氏力、可靠性、稳健性等最新的研究成果做了详细的评述.最后提出了需进一步深入研究的问题,如建立更高效、更高精度、更具适用性的模型,真正采用试验方法对理论仿真模拟进一步地验证,气动与结构耦合以及叶冠间隙和摩擦耦合等因素对多级叶盘共同作用,科氏力产生机理,叶盘对失谐的不敏感度及稳健性等.      

基于振型节径谱的失谐叶盘结构动态特性评价

基于叶盘结构振型的离散傅里叶变换,给出振型节径谱的定义。对于一个简化的叶盘结构,利用节径谱的概念对失谐叶盘的动态特性进行了评价和分析。在固有特性方面,基于节径谱改进了模态局部化因子的定义,得到了随机失谐叶盘的模态特性的统计特征;在响应特性方面,基于振型和激励节径谱的相似程度定义了模态激励因子,很好地解释了随机失谐程度的＂阈值＂效应和最优人为失谐的存在性。算例表明,节径谱是衡量的振型空间分布的重要指标,在失谐叶盘结构动态特性分析和评价中有着重要的应用。     

错频转子系统动力特性研究

根据某级压气机叶／盘转子的实际结构，建立了叶／盘带短轴的有限元模型。采用NASTRAN结构分析软件，得到了模化协调转子所需的数据，构建了多自由度叶／盘转子系统动力学模型，并在此基础上通过改变多自由度模型中叶片刚度实现错频。采用基尔法求解错频转子系统的运动方程。获得了此多自由度系统的动态响应，并对不同错频方案进行了对比分析。     

叶/盘结构振动分析中几个问题的探讨

为了防止叶／盘结构在正常工作条件下出现危险的共振，从工程设计角度出发，讨论了用在限元法对刚性盘上单个叶片的振动分析、用波传播技术对叶／盘耦合振动及轮盘振动分析中的几个问题。对振动分析中应注意的计算频率阶数确定、激振力选取及其振点确定等问题给出了具体处理方法。计算得到的叶片、轮盘振动特性分析结果与实测结果相符。给出的处理方法可用于叶／盘结构的振动设计分析和排放。