叶片在变转速状态下频率转向特性的研究

基于薄板弯曲理论,采用梁函数组合法对悬臂板进行动力特性分析,推导了在变转速状态下悬臂板频率和振型的解析解的一般表达式,提出了在离心力作用下研究叶片“频率转向”的新方法,建立了计算悬臂板各阶频率和振型的理论依据。同时,采用Matlab软件分析了不同展弦比的叶片在离心力作用下,其“频率转向”特性和模态振型的变化规律,并较为详细的讨论了在“动频交叉点”附近（第2,3阶频率线交叉点附近）叶片的模态振型。仿真结果表明,在叶片的动频曲线相交点处,相同厚度、相同长度的叶片,展弦比较大的叶片的动频曲线交点对应的转速和频率较大;孤立的弯曲模态、扭转模态不会与其他模态耦合而导致频率转向;第2阶二弯模态振型没有明显的变化,第3阶一扭模态振型基本不变。     

旋转叶片频率转向与振型转换特性

通过对典型旋转叶片的有限元分析, 讨论了旋转叶片动频特性的“频率转向”和“振型转换”问题, 尤其是关于多模态耦合的复杂“频率转向”和“振型转换”的现象和特点.首先讨论了旋转叶片动频特性中的两阶模态间“频率转向”和“振型转换”问题, 说明了这种耦合振动问题的机理, 然后研究了多阶模态相互耦合所导致的复杂“频率转向”和“振型转换”现象, 对其基本特点进行了详细的分析和说明.      

裂纹叶片频率转向和振型转换特性研究

基于有限元法对裂纹悬臂平板叶片的频率转向和振型转换特性进行了线性和非线性研究。首先使用张开型裂纹模型通过线性模态分析研究了裂纹长度变化引起的频率转向和振型转换问题,使用模态置信因子定量分析了频率转向区内振型的渐变过程。而后考虑裂纹闭合效应,建立了裂纹平板的双线性模型,使用张开型和闭合型模型线性分析结果计算得到双线性频率,其中张开型和闭合型裂纹振型通过模态相关性分析进行匹配。计算了裂纹叶片双线性频率,分析了非线性频率转向特性与线性分析结果的差异。最后使用接触有限元模型瞬态响应扫频计算得到非线性共振频率,对张开型模型和双线性模型在典型弯曲、扭转和面内弯曲模态的共振频率进行了验证。     

钛合金宽弦风扇叶片的振动特性

通过模态仿真和模态试验技术分别对某型号TC4钛合金宽弦风扇叶片的振动特性进行研究。采用ANSYS-APDL软件对风扇叶片模型进行模态仿真分析。根据风扇叶片的坎贝尔图以及不同模态的振型分布,识别风扇叶片的弯扭振型。风扇叶片不同转速不同模态下的转速裕度和频率裕度分析显示:第1阶弯曲模态在红线转速下的转速裕度和频率裕度超过20%,表明风扇叶片满足共振裕度要求。在三轴向振动台上利用扫描式激光测振仪,采用敲击法和随机带宽激励的方法测量叶片的响应,分析了风扇叶片不同模态的冲击响应特性和多轴响应特性,发现风扇叶片在周向和轴向激励下的响应以低阶弯曲模态为主,而在径向激励下的响应以扭转和复合模态为主,不同激励位置不同模态的响应特性与风扇叶片的振型息息相关。      

一种新型金属丝网夹层阻尼板的研制

基于金属丝网材料机理设计制作了金属丝网夹层阻尼板,在悬臂和自由悬吊两种支持条件下对夹层板与同厚度单层铝板分别进行了振动衰减实验和稳态振动特性实验,研究了金属丝网夹层阻尼板的阻尼特性和动态特性,并对金属丝网夹层阻尼板的模态频率、模态振型和模态阻尼进行了识别和分析,通过比较夹层板与同厚度单层铝板的阻尼特性,检验了夹层阻尼板的减振效果以及验证了本文设计方法的有效性。     

亚声速气流激励下旋转叶片的饱和渗透现象

研究了在1∶2内共振条件下,压气机叶片在亚声速气流作用下的非线性耦合振动响应。利用涡格法得到了三维绕流压气机叶片的横向气动载荷。采用Chebyshev-Ritz法获得旋转叶片的第一阶扭转模态和第二阶弯曲模态的模态函数,并将计算出的前三阶频率并与有限元计算结果进行对比。利用Galerkin法对系统的偏微分方程进行截断,得到扭转模态与弯曲模态的两自由度常微分方程。通过对存在线性刚度项耦合的系统进行了求解,得到了系统存在的两种可能的解支,并对其进行稳定分析。通过对系统两阶模态间能量传递的分析,计算了当调谐参数为σ=0,σ1≠0以及调谐参数为σ=0,σ1=0时系统扭转模态与弯曲模态的力-幅曲线,分析了模态幅值间的饱和行为和能量传递的现象,当外激励调谐参数σ1=0时,扭转模态幅值的跳跃现象消失。同时分析了不同参数对力-频、幅-频特性的影响。     

某型航空发动机环形燃烧室振动特性分析

建立了环形燃烧室薄壁多孔结构的有限元模型,模拟燃烧室在实际工作中的安装条件,分析了燃烧室在不同工作状态下的模态频率和模态振型等.利用常温自由状态条件下有限元模型计算的振动特性,与该状态下的试验结果进行对比,修正计算模型.结果表明,修正后的计算结果与试验结果基本相符,保证了环形燃烧室各工作状态下振动特性分析的有效性.研究了不同工作状态对燃烧室温度场的影响及温度场对燃烧室模态频率的影响,结果表明燃烧室的工作温度越高,其模态频率越低;另外,计算结果表明该近似对称结构系统具有非单构系统的特点,其相似振型可作为同一阶振型加以考虑.     

基于能量法的跨声速风扇叶片气弹稳定性研究

基于能量法原理,采用弱耦合的方法对跨声速风扇叶片进行气弹稳定性分析;采用3维线性插值算法编程实现CSD/CFD数据交换。利用有限元法计算叶片的模态振型和固有振动频率;应用FLUENT动网格技术,对NASA R 67风扇叶片在不同模态振动下的非定常流场进行数值模拟,给出在前3阶模态振动下叶片表面的周期累积气动功和气动阻尼,并探讨了激波对跨声速风扇叶片气弹稳定性的影响。     

基于非接触式测量的旋转叶片动应变重构方法

基于叶端定时非接触式测量和振动响应传递比的概念,开展高速旋转叶片动应变重构方法的研究。在频域内推导了叶片任意测点位移与任意测点动应变的传递比,给出了单模态共振下响应传递比关于位移和应变模态振型的解析表达式;建立旋转叶片的三维(3D)有限元模型,开展考虑旋转预应力效应的叶片模态分析,提取位移和应变模态振型,获得任意转速下叶端位移与叶根关键点动应变的传递比。开展高速旋转叶片叶端定时非接触式测量实验,采用周向傅里叶算法对叶端定时信号进行处理,获得叶片在不同转速单模态共振下的叶端位移,结合响应传递比,重构5个旋转叶片的关键点动应变。结果表明:旋转叶片在9000r/min和13000r/min转速下发生1阶共振时,与应变片实测结果相比,叶根处应力最大点、次大点和边缘点3个关键点的动应变平均重构误差均小于15%,验证了旋转叶片动应变重构方法的有效性。     

基于响应传递比的转子叶片动应变重构

提出基于响应传递比的转子叶片动应变重构方法,从系统应变频响特性出发,在频域获得应变-应变响应传递比关于模态振型的解析表达式,建立叶片已知测点应变与不可测位置应变的映射关系;开展高速旋转叶片动应变测量实验,建立叶片有限元模型,并采用转子叶片前4阶固有频率的实验结果修正有限元模型;开展考虑转速影响的转子叶片模态分析,提取对应的应变模态振型,计算得到单模态振动下应变-应变响应传递比;综合应变响应传递比和实测动应变重构叶片不可测位置的动应变。实验结果表明:与应变片实测结果相比,基于响应传递比的转子叶片动应变重构结果相对误差小于10%。      

转子叶片气弹稳定性与强迫响应分析

针对由叶轮机械转子叶片流致振动引起的叶片高循环疲劳失效的突出问题,采用数值模拟方法对叶片流致振动特性进 行预测分析。常见的流致振动问题包括气弹稳定性和强迫响应,分别以压气机和高压涡轮转子叶片为例给出了气弹稳定性和强 迫振动响应的分析方法及其流程。对于压气机叶片,采用能量法和特征值法进行了气弹稳定性计算。结果表明：气弹稳定性结果 相互吻合,在高阶模态下的气动阻尼比在低阶模态下的更小,根据振型特征确定危险点位于叶尖近前缘和近尾缘部位,在该部位 可能导致叶片掉角;对于高压涡轮叶片,分析了其强迫振动响应特征。结果表明：叶片非定常气动激励主要来源于上游导叶,在设 计状态下其频率距离转子叶片第5阶模态频率较近,并对危险模态阶次的共振应力进行分析,在0.14%阻尼下振动应力最大可达 134 MPa。     

基于三维激光扫描的涡轮叶片高温模态测试技术

提出了基于三维激光扫描技术的发动机涡轮叶片高温模态测试技术,实现了在最高900 ℃的高温环境下的涡轮叶片模态测试。设计了一套高温环境模拟装置,实现了不同温度环境的模拟,基于振动台基础激励技术和三维激光扫描技术,建立了不同温度环境下的涡轮叶片三维测试模型,获取了准确的模态振型、模态频率等参数,验证了方法的可行性。分析结果显示:温度升高会导致涡轮叶片固有频率下降,900 ℃较常温环境1阶频率下降约6%,叶尖振型因热应力产生轻微畸变。      

某型发动机高压压气机第6级静子叶片掉角故障分析

针对某型发动机高压压气机第6级静子叶片掉角故障,分别进行了断口分析、强度计算、振动模态试验和整机动应力测试,综合分析结果表明:第6级静子叶片掉角断口均属于高周疲劳;实测第9阶振型的最大相对振动应力区与故障叶片的裂纹起始位置吻合;第9阶自振频率对叶尖附近的弦长、厚度及尾缘R的尺寸微小变化很敏感。采取了增加频率限制、对涂"W"漆前的吹砂工艺进行细化以保护叶片的措施,使得该故障得以排除。     

晶向对DD3单晶叶片固有频率的影响

分析了晶向对某DD3单晶涡轮叶片固有频率的影响规律。用有限元法分析了该叶片的前 6阶静频和 4 5 0 0 0r/min工作转速下该叶片的前 6阶动频在上述晶向范围内的变化规律。通过分析发现 ,第二欧拉角对该叶片的低阶固有频率影响较大 ;而第一、三欧拉角对该叶片的高阶固有频率影响较大 ;当第二欧拉角为 0°时 ,叶片固有频率随第一或第三欧拉角增大而周期性变化 ,每 90°为一个周期 ;在高温工作状态 ,因存在由弹性模量下降引起的结构软化和由离心力作用引起的结构刚度加强 ,使叶片的动频在量值上与静频相当 ,且晶向的影响减弱。     

上下游叶排对压气机转子叶片气动弹性稳定性的影响

使用自行开发的流固耦合程序集,分别考虑压气机上下游叶排的影响对转子叶片气动弹性稳定性进行分析.使用全环气动弹性模型通过叶片在非定常流场中振幅随时间的变化历程计算转子叶片不同振型下的气动阻尼,分析了不同的叶排轴向间距下尾迹和势干扰对气动阻尼的影响规律.通过将考虑转静干涉效应的气动阻尼与单转子的结果作比较,总结了转子-静子结构和导叶-转子结构的干涉作用对转子叶片颤振特性的影响规律.结果表明:对于1阶弯曲模态,转子叶片气动弹性稳定性不随轴向间距单调变化;上游尾迹干涉作用和下游静子势干扰的增强会加剧1阶扭转模态失稳,但是却促进1阶弯扭耦合模态气动弹性稳定.      

小展弦比带掠风扇转子叶片的耦合颤振

从结构力学出发,对某发动机整体叶盘进行了盘片耦合振动特性分析,通过分析小展弦比带掠风扇转子叶片的共振转速、耦合颤振和失速颤振,发现了该小展弦比带掠风扇转子叶片存在2阶与3阶动频与静频振型发生变化的特殊现象,揭示了该小展弦比带掠风扇转子叶片为另一种耦合颤振的问题.通过对该小展弦比带掠风扇转子叶片的结构调整,找出了叶片前掠是该叶片发生此类特殊现象的重要影响因素,适当压缩该叶片的前掠后,从设计上避免了发生颤振的可能,提出叶片各阶频率的分离度需满足10％的设计要求.      

某型发动机二级压气机叶片断裂故障分析研究

某型发动机二级压气机叶片属于事故多发性零部件。最近又发生了叶身断裂故障,该故障是一种新型故障,与二扭共振引起的叶尖掉角故障不同:疲劳源位于叶盆中上部,靠近叶尖断裂飞出,断裂飞出部分约为叶片的1/3,故障件断口部分呈“S”型。本文从叶片断口金相、扫描电镜分析、振动特性计算分析、叶片静频和振型测量、疲劳破坏试验、第10阶相对振动应力测量和叶片疲劳寿命评估等研究工作,分析得出造成叶片疲劳破坏的故障机理是叶片第10阶振型在发动机0.8额定转速发生共振和叶盆表面损伤。      

基于激光多普勒测振的叶片振动特性试验

为了实现叶片振动特性的高精度、多点、非接触测量,对激光多普勒测振原理与应用进行了研究,将激光测振技术引入到叶片振动特性测试中,搭建了1套非接触式声激励测振系统。以某型航空发动机压气机第2级叶片为研究对象,测量出叶片表面153个测点的响应、5kHz内的前5阶固有频率和振型、前3阶应力分布,并将试验结果与有限元分析以及传统振动特性试验采用共振法、模态法获得的振动特性结果进行对比。结果表明:非接触激光测振法可以同时获得叶片高阶模态和全场应力分布,弥补了传统振动特性试验的不足。测得叶片频率与采用共振法、模态法得到的结果相比误差在1%以内,相对应力分布与有限元分析结果基本一致,证明了该新型叶片振动特性试验方法的正确性与先进性。     

基于变厚度壳单元的旋转叶片固有特性分析

针对1个扭型、变截面旋转叶片,基于ANSYS有限元软件,采用变厚度壳单元来模拟真实叶片的方法建模,并与实体单元模型对静频和固有振型进行对比,验证了该建模方法的准确性;在此基础上分析了科氏力、旋转软化、离心刚化以及三者耦合对叶片动频特性的影响规律;基于壳单元动频数据,对现在常用的动频系数经验公式的适用性进行了简单评价。研究结果表明：2种模型的动频规律一致,对系统影响由大到小依次为离心刚化、旋转软化和科氏力;叶片A0振型的动频系数吻合较好,A1振型的反之     

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.