前后掠风扇叶片颤振特性对比分析

采用基于能量法的流固耦合数值预测方法对比研究了模态、叶间相位角对前后掠风扇转子叶片气动弹性稳定性的影响.结果表明:对于两种掠形叶片,在所研究的前3阶振动模态下,前掠叶片对应于弯扭耦合振型的气动模态阻尼比最大,其数值为0.801%,而后掠叶片对应于弯扭耦合振型的气动模态阻尼比最小,其数值为0.248%;叶间相位角对两种掠形叶片气动模态阻尼比都有显著影响,在1阶振动模态相同叶间相位角(节径)下,前掠叶片前行波对应的气动模态阻尼比小于逆行波对应的气动模态阻尼比,而后掠叶片与此相反;1阶振动模态所有叶间相位角下,前掠叶片比后掠叶片气弹稳定性更好.      

基于拓扑优化的叶盘压电阻尼器性能研究

针对压电分支阻尼技术在航空发动机叶盘结构振动抑制问题中的应用,提出了一种拓扑优化方法,可给出限定用量的压电材料在轮盘上的最佳位置,以提升压电分支阻尼的上限。在轮盘上布置压电材料还可防止对叶片通道内流场的影响,避免降低流体效率。首先,论述了该拓扑优化方法的原理,推导了模态机电耦合系数这一核心参数的计算公式及其与最佳阻尼比、模态应变场的关系。其次,建立了基于模态应变场的压电材料分布拓扑优化方法,可用于任意有限元模型。最后,将该优化方法应用于一个航空发动机压气机叶盘结构模型,分别针对单一和多阶模态进行了压电材料在轮盘上分布的拓扑优化,研究这种铺设方式对各典型模态(轮盘主导、叶片主导、耦合振动)的振动抑制效果。结果表明,在仅采用占轮盘质量5%的压电材料的情况下,优化后的压电阻尼器最多可以为轮盘振动主导模态及叶片-轮盘耦合振动模态提供约13%的模态阻尼比,为叶片主导模态提供的模态阻尼比集中在2%～4%。     

气流激励下叶片振动响应分析方法

为开展气流激励下叶片振动响应分析方法研究,建立了气动激振力预估方法,采用非线性谐波法对叶排进行三维非定常流动分析,获得叶片表面的脉动压力,编制流固转换程序,计算叶片所受的气动激振力。建立了叶片气动阻尼分析方法,基于能量法和弱耦合分析法,对叶片与流场进行流固弱耦合分析,将气动力对运动的叶片所做的气动负功等效为黏滞阻尼力所做的功,求得转子叶片的模态气动阻尼比。建立了叶片在气流激励下的振动响应分析方法,基于气动激振力和叶片模态气动阻尼比,采用模态叠加法分析叶片振动响应。使用该方法,针对发动机中1.5级压气机转、静子叶排模型,计算了转子叶片在真实流场中的气动激振力、前8阶模态气动阻尼比以及在气动激振力与气动阻尼共同作用下转子叶片的振动响应,振动应力达到100 MPa。      

离心叶轮气动阻尼的数值分析

为进行运动边界下离心叶轮流场的数值分析,独立开发了网格变形程序和非定常流动分析程序,实现了流场中振动离心叶轮的气动阻尼计算。采用紧支撑径向基函数法进行结构到气动表面变形的数据传递,应用二叉树技术进行壁面距离的计算,大幅提高了网格变形和流场分析中距离搜索的计算效率。通过振动叶栅和离心叶轮的算例,验证了程序应用于运动边界流场计算和叶轮流场模拟的正确性。以某离心叶轮为对象,展开其模态气动阻尼比的计算分析。结果表明:考察的两个模态下气动阻尼比均为正值,小幅振动下模态气动阻尼比与振幅无关,轮盘振动模态下叶轮的气动阻尼比随工况接近失速而逐渐减小。      

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。     

亚声速叶片与跨声速叶片的气动阻尼比较

为了研究叶轮机中叶片与流场流固耦合作用情况下的气动阻尼,分别以亚声速和跨声速转子叶片为例计算气动阻尼。根据对非定常气动力的分析,提出了一种与结构等效粘滞阻尼比对应的模态气动等效粘滞阻尼比的定义。采用弱耦合分域求解的算法,在线性范围内,计算并比较了跨声速叶片和亚声速叶片模态和振幅对模态气动阻尼比的影响,根据分布气动阻尼比研究压缩波对模态气动阻尼比的影响。研究结果表明这两类叶片的气动阻尼特性基本一致,所提参数对两类叶片的气动阻尼的影响基本相同。     

涡轮机械叶片的流固耦合数值计算方法

发展了一种流固弱耦合数值方法来判断涡轮机械叶片气弹稳定性.通过一种数据交换方法将计算结构动力学(CSD)的节点振动位移施加到计算流体力学(CFD)的叶片表面网格点上,CFD分析采用多层动网格技术实时更新可动域的网格点坐标,并通过有限体积法求解了用k-ε湍流模型封闭的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程.以NASA 67转子叶片为例,在设计状态下,对比了叶片前4阶模态下一个振动周期内的气动功及模态气动阻尼比,初步分析了叶片的气弹稳定性.计算结果表明:所发展的流固弱耦合数值方法用于判断涡轮机械叶片气弹稳定性是可行的.      

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.      

多模态时域振动衰减信号各模态分离与阻尼参数辨识方法

针对多模态信号中各模态难以准确分离和模态阻尼参数难以准确识别的问题,提出了布谷鸟搜索(CS)算法参数优化的变分模态分解方法 (CS-VMD)和模态阻尼参数辨识的包络线积分法(EIM)。使用CS-VMD方法将多模态时域振动衰减信号中的多模态分量准确分离开来,利用EIM辨识各模态的模态频率和阻尼比,并与理论值(或测量值)以及半功率带宽法(HPB)辨识值进行对比。位移仿真信号与压气机导向叶片测频信号模态分解及模态参数辨识表明,CS-VMD方法可实现对多模态信号的正确分解,EIM辨识的模态频率误差均小于1.0%;对于位移仿真信号,EIM辨识的模态阻尼比最大误差小于2.5%;对于压气机导向叶片测频信号,使用EIM和HPB方法辨识的模态阻尼比最大差别为9.098%,EIM的模态阻尼辨识精度比HPB方法高。     

阻尼陀螺系统动力响应的有限元复模态分析方法

采用复模态分析方法研究了陀螺系统及具有粘性阻尼的陀螺系统的动力响应及其数值分析方法,提出了陀螺模态阻尼比的概念,实现了利用有限元结构分析软件对诸如薄壁旋转轴和转动薄壁壳体等各类形式的复杂旋转薄壁结构进行动力特性分析的目的,讨论了不同条件(单点旋转简谐激励和沿圆周呈周波型分布的激励)条件下转动薄壁壳体结构的行波振动特点.      

压气机转子叶片颤振边界的预测方法

通过发展的基于能量法的颤振数值预测方法得到了压气机转子叶片的颤振边界.将计算结构动力学(CSD)分析得到的叶片表面节点位移插值到耦合面的流体网格点上,并将设计的多层动网格技术应用于计算流体动力学(CFD)方法,实现叶栅振荡作用下的非定常分析,得到叶片表面的非定常气动功以及模态气动阻尼比.以某第一级压气机转子叶片为例,对...     

基于滑窗包络线法辨识复合圆柱壳结构的模态阻尼

由于复合圆柱壳阻尼机理的复杂性,目前还没有通用而有效的方法辨识该类结构的模态阻尼,因此提出一种基于滑窗包络线法的模态阻尼测试方法.首先,详细说明了滑窗包络线法测试复合圆柱壳阻尼的原理和总体思路;然后,提出了具体的测试复合圆柱壳结构模态阻尼的流程;最后,以局部涂敷约束层阻尼材料的复合圆柱壳为研究对象,对其阻尼特性进行了测试,并讨论了激励幅度对模态阻尼的影响.测试结果表明,所提出的方法获得的前5阶阻尼结果对应的方差最大不超过0.02%,具有较好的可重复性,从而确保具有较高的测试精度.      

基于分布激励突卸的转子叶片阻尼比试验

针对航空发动机压气机叶片动态设计中阻尼比难以估计的情况,建立了分布激励下转子叶片的响应模型,并基于此模型设计了一种分布激励突卸的非接触阻尼比试验方法.利用分布激励突卸法进行了转子叶片的前8阶阻尼比测试,对同样的转子叶片进行半功率法和模态分析法阻尼比试验,将三者的试验结果进行相关分析.结果表明,分布激励突卸法与其余两种方法的试验结果相关性大于75%,且在阻尼比试验中无频率分辨率及频谱分析误差的干扰,准确度更高.      

用于叶片减振的压电材料分布拓扑优化

提出一种可用于实际叶盘结构的压电分支阻尼器拓扑优化方法,可以给出总质量受约束的压电材料在叶片上的最佳分布,达到尽可能大的模态阻尼比。通过理论推导说明:压电阻尼器所产生的模态阻尼比仅取决于模态机电耦合系数,且该系数只与压电材料的几何形状以及模态应力场有关。进一步结合压电本构关系,基于应力分量的线性加权给出了有限的压电材料在叶片上铺设位置“优先级”的判断指标。给出了基于叶盘结构有限元模型的压电材料拓扑优化方法,通过替换单元类型和材料参数的方式对压电材料进行布置,并给出了多模态族优化、极化方向设置、电极铺设等问题的解决方案。在一个接近真实的叶盘模型上应用了此优化方法。结果表明,仅使用质量占叶片质量10%的压电材料,就可以为多个模态提供约12%的阻尼比。      

轴流压气机大小叶片气动弹性稳定性分析

分别采用能量法和时域法对轴流压气机大小叶片进行了气动弹性稳定性分析,获得了叶片的气动模态阻尼比和叶片表面的非定常气动功分布.对叶片的振动位移响应进行了频域分析,并与常规设计转子作了对比.结果表明:大小叶片存在的结构失谐和气动失谐对气动弹性稳定性有明显的影响.气动失谐改善了叶片表面的非定常气动功分布,结构失谐改变了叶间相位角的影响.大小叶片对应的1阶模态振型的气动模态阻尼比为0.000791,而常规设计转子的值为0.000217,大小叶片相对于常规设计转子,不仅改善了气动性能,同时还提高了气动弹性稳定性.      

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。     

减载加速度计组合减振设计与分析

运载火箭飞行过程中振动量极大,影响减载加速度计组合输出精度,必须加上减振器才能满足系统指标的要求。同时,为了实现减载加速度计组合小型化、轻量化的要求,采用四点减振的减振方案,介绍了减载加速度计组合减振设计过程,并采用ANSYS有限元软件分析了减载加速度计组合未采用减振系统情况下的模态、应力和加速度响应。通过在减载加速度计组合底座上安装4个减振器,使用电磁振动台对减载加速度计组合3个方向进行正弦振动及随机振动试验。试验结果表明,减载加速度计组合采用的四点减振形式可以有效地隔离振动,减载加速度计组合输出精度满足系统提出的零偏均值小于4mg的指标要求,减振器指标设计合理。