一种基于模态的叶片缘板阻尼器减振设计方法

为了有效解决航空发动机中叶片缘板阻尼器的减振设计问题,在无需开展复杂耗时的非线性响应分析的情况下,提出了一种基于模态的叶片缘板阻尼器减振设计方法。采用半圆形缘板阻尼器的结构形式,根据归一化等效理论,将带有缘板阻尼器的转子叶片简化为以集总参数表示的单自由度模型。引入局部微滑动模型及刚度比例因子,给出了不同干摩擦模型的非线性摩擦力求解方程。针对给定的转子叶片许用振动应力,计算缘板阻尼器的阻尼比特性曲线,通过对比能量法与谐波平衡法的计算结果,验证了所提出方法的可行性及准确性,并获得了阻尼比随相关设计参数的变化规律。对于文中示例,给定许用振动应力幅值为50MPa,最佳缘板阻尼器质量约为7.34g,其峰值阻尼比约为0.33%。     

叶片缘板阻尼器设计分析中的一些问题

对叶片缘板阻尼器设计分析方法进行了讨论,并对影响阻尼器尼效果的有关参数进行了分析,指出了在设计中如何对影响阻尼器阻尼效果的参数进行分析确定,并提出了缘板阻尼器设计分析中应注意的问题,最后给出了一个实际应用实例的分析结果。     

考虑参数关联的缘板阻尼器减振性能分析

建立了缘板阻尼器（UPDs）各参数间的关联关系,揭示了减振性能随主要参数的变化规律,形成参数联动设计准则。基于双叶片-缘板阻尼器集中参数模型,采用多阶谐波平衡法（MHBM）计算稳态响应以衡量阻尼器性能;推导了解析雅可比矩阵,使收敛性和计算效率显著提高。结果表明:考虑参数的关联性是必要的;选取较大材料密度与特定底角的对称楔形缘板阻尼器,可以实现4.57%的最优阻尼比;当激振力存在相位差时,采用非对称的楔形阻尼结构能进一步提升阻尼效果。      

含接触界面的叶片非线性模态分析方法

为揭示含复杂接触界面的大规模叶片的非线性模态特性,建立了含接触界面的叶片非线性模态高效分析方法。以含缘板阻尼器的简化涡轮叶片有限元模型为例,介绍了含接触非线性耗散系统的阻尼非线性模态的基本定义;综合采用多谐波平衡法和基于高精度频响函数矩阵的线性自由度压缩方法,将非线性计算规模降低至初始模型的1/88,实现了含接触界面的大规模叶片有限元模型的非线性模态高效分析;基于能量平衡思想探索了叶片阻尼非线性模态振动与其共振点强迫振动响应之间的关联。结果表明,该非线性模态分析方法能够同步揭示叶片非线性模态频率和非线性阻尼比的振幅相关特性,对于涡轮叶片的动力学设计和缘板阻尼器的减振能力的量化评估具有重要意义。     

一种叶片缘板阻尼器二维耦合振动的分析方法

采用带滑动触点的并联弹簧来模拟二维平面运动时叶片-阻尼器间的干摩擦接触,建立一种二维局部滑动摩擦接触模型.在叶片缘板处附加两个相互垂直的弹簧阻尼单元来模拟叶片振动时的二维干摩擦力建立B-G(blade-ground)型叶片-缘板阻尼器有限元模型.结合两个模型提出二维耦合振动时叶片缘板阻尼器减振特性的分析方法.算例分析表明在工作频率附近,存在一个正压力的范围使得二维耦合振动时叶片稳态幅值减振效果最好,频率对稳态幅值减振特性无明显影响.分析方法适用于各种复杂平面摩擦接触时叶片缘板阻尼器耦合振动的分析.      

叶片缘板阻尼器切向接触刚度及其微滑动摩擦建模

为有效解决叶片缘板阻尼器的微滑动摩擦建模问题,针对带圆角的平板接触模型,推导得到了阻尼器切向接触刚度的解析表达式,包括初始切向接触刚度和微滑动阶段平均切向接触刚度,并将其与平面应变有限元模型的计算结果进行对比。结果表明:初始切向接触刚度的值仅与接触体的材料属性、阻尼器轴向长度与接触区半宽度的比值有关,平均切向接触刚度还与接触面的压力分布有关;利用有限元法计算得到的切向接触刚度值与理论解之间的计算误差与文献中有限元解的误差相比减小约7.1%。基于切向接触刚度的理论分析结果,发展了一种微滑动摩擦模型,给出了模型中实验系数λ的解析表达式,对于本文研究的带圆角平板接触模型,λ的值通常在1.00~1.15。将所发展的微滑动摩擦模型用于B-G型缘板阻尼器减振特性分析中,并与宏滑动摩擦模型的计算结果进行了对比,结果表明,所发展的微滑动摩擦模型可以用来计算阻尼器接触面发生微滑动时所能提供的阻尼比。     

考虑盘片耦合的缘板阻尼器减振性能分析方法

叶盘结构趋于轻薄,盘片耦合振动不能忽略。本文旨在揭示缘板阻尼器对叶盘不同节径模态减振性能的影响规律。建立了考虑缘板转动的叶盘-缘板阻尼器集中参数模型,采用结合解析雅可比矩阵的多阶谐波平衡法求解稳态响应,利用非线性周期减缩技术,在不损失精度的情况下使计算效率提高至少3倍以上。研究结果表明,针对叶片主导的一阶弯曲模态,缘板阻尼器总体上对节径数越高的模态阻尼效果越好,但在盘片耦合区阻尼效果显著下降,约为25%至50%;此外,忽略缘板的转动效应可能导致对阻尼器减振效果高估约70%至100%。     

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。     

叶片摩擦阻尼器的优化设计方法研究

为减小叶片振动应力 ,防止叶片出现大应力的疲劳破坏 ,在叶片上设计干摩擦阻尼结构是最常用的方法之一。本文对叶片缘板摩擦阻尼器的工程优化设计方法进行了研究。研究了摩擦阻尼器参数对叶片响应的影响规律并提出了设计时应采取的措施。在阻尼器的材料和摩擦面结构已确定的情况下 ,优化设计的最主要的一个参数就是接触面的法向正压力 ,基于实际发动机中叶片激振力和粘性阻尼不易精确确定的实际 ,研究了激振力和粘性阻尼对法向正压力优化的影响 ,并提出了一种法向正压力的优化方法。由于这一优化方法对激振力和粘性阻尼值并不敏感 ,因此为工程上进行法向正压力的优化提供了理论方法     

叶片摩擦阻尼器切向刚度研究

对带摩擦阻尼器的叶片进行响应预测时 ,摩擦阻尼器多采用滞后弹簧模型 ,摩擦阻尼器切向刚度 (弹簧刚度 )值的准确与否成为理论计算成败的关键因素之一 ,本文提出了一种确定摩擦阻尼器切向刚度的新方法 ,并用这一方法对叶片缘板摩擦阻尼器的切向刚度进行了研究 ,研究了摩擦面法向正压力及激振力对摩擦阻尼器切向刚度的影响规律 ,发现了摩擦阻尼器切向刚度与摩擦面的法向正压力和激振力之间的确定的函数关系。     

缘板阻尼结构减振特性的影响因素分析

基于简化的叶片-缘板阻尼结构模型，开展缘板阻尼结构干摩擦阻尼减振特性的计算分析。阐述了谐波平衡法预测叶片响应的基本原理，并提出了一种基于离散傅里叶变换的雅克比矩阵快速计算方法，结果表明:该方法能够实现谐波平衡法的加速，并使叶片响应计算效率提高8倍以上。在此基础上，重点探究了离心力、缘板阻尼块质量、激振力、缘板倾斜角及缘板阻尼块转动等因素对叶片响应特性的影响，并总结上述关键设计参数对叶片-缘板阻尼结构减振特性的影响规律。      

接触摩擦力对叶片减振能力的影响

在频域内利用谐波平衡法,分别通过理论分析和有限元分析方法对某涡轮叶片缘板-阻尼结构进行了减振效果分析,并就接触摩擦力对叶片减振能力的影响进行了进一步探索.研究发现带阻尼装置叶片由于阻尼块附加质量作用,对叶片有明显的避振作用,并也起到了一定的减振作用,但对叶片振动响应耗能影响最大的是叶片缘板-阻尼装置接触面的非线性摩擦力,且摩擦系数较小时叶片减振效果对其变化更敏感一些.另外从分析方法探索中发现,含接触等非线性问题的结构,忽略接触特性进行振动响应分析具有较大的偏差性.这些研究结论和研究方法可为阻尼结构的设计提供一定的参考.     

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。     

涡轮叶片模态实测阻尼比的有限元应用

为了更加精确地通过有限元来模拟涡轮叶片的谐响应特性,剖析了有限元分析中阻尼矩阵的构建方法,并且选定了适用于真实涡轮叶片设计的阻尼矩阵模型.在进行涡轮叶片有限元谐响应计算时,以模态测试得的阻尼比为基本参数,建立构建阻尼矩阵的方法,该方法能处理具有单独共振频率或具有临近共振频率的振动问题.通过模拟涡轮叶片的响应试验,测得了试验系统的阻尼比及模拟涡轮叶片的位移响应.根据测得的系统阻尼比,运用构建阻尼矩阵的方法,对具有单独共振频率特征的模拟涡轮叶片进行了谐响应计算,结果显示模拟涡轮叶片的位移响应与试验结果基本一致.运用该方法进行涡轮叶片的谐响应分析可比较精确地得到其谐响应特性.      

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。      

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.      

带缘板摩擦阻尼片高压涡轮叶片的减振研究

利用干摩擦阻尼对构件进行减振是1种简单又有效的方法,广泛应用于航空发动机叶片上,可以有效限制叶片的振动应力水平。针对带缘板阻尼片的高压涡轮叶片,基于滞后弹簧模型,以1次谐波平衡法与动柔度法结合为基本算法,提出了1种由气动力计算激振力的方法,并对其影响参数进行研究。对该叶片进行了稳态应力响应的计算,得到使叶片振动应力最小的最优正压力,并对阻尼片质量进行了优化分析。结果表明:现有的阻尼片质量在比较合理的范围内,可以起到较好的减振效果,为提高减振效果可适当增加阻尼片质量。