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%。     

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。      

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.      

几种压电网络用于叶盘结构减振的机理分析

针对几种有望用于叶盘结构等循环对称结构减振的压电网络技术开展机理研究。为说明能量耗散及能量平衡两种不同的机理对减振、抑振效果的影响,基于集总参数模型对带有分支、并联网络、串联网络3类电路的叶盘结构开展了数值研究。对比了3类电路在谐调和失谐叶盘上所能达到的最佳减振效果及其随着失谐强度变化的规律,展示压电网络中能量耗散机理的作用。在非周期压电网络中加入了电阻,讨论了两种机理的共同作用。还给出了非周期压电网络最佳连接方式选择的定性建议。研究发现:将所有压电片连接到同一个网络并不能显著增加阻尼性能。在失谐叶盘上找到了无任何电路元件且只含少量叶片的非周期压电网络的最佳连接形式,说明了能量分配机理的作用。可以做到只将少数叶片连入网络(例如24个叶片中的2个或4个),无需加入任何电路元件就可以达到降低失谐响应放大效应的作用。     

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。      

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。     

双周期分布式压电分支阻尼对失谐叶盘振动抑制作用分析

将压电分支电路引入失谐叶盘结构，形成机电耦合系统，给出了机电耦合系统动力学方程的推导过程，并从理论上研究了压电分支阻尼对失谐叶盘结构响应放大的抑制效果.通过构造双周期分布式压电分支电路，研究了双周期分布式压电分支阻尼对失谐叶盘结构的振动抑制效果，并与单周期压电分支电路进行了对比，对比结果显示压电分支阻尼（包括单周期压电分支阻尼以及双周期分布式压电分支阻尼）均能有效降低随机失谐叶盘结构的响应放大，其中双周期机电耦合系统响应放大因子统计分析结果小于1的概率在99.7%以上，基本消除了失谐叶盘结构的响应放大现象.通过合理地设计系统的双周期模式，能够获得比单周期更好的失谐响应放大抑制效果.此外，压电分支阻尼使得随机失谐叶盘结构的失谐“阈值”现象消失，提高了叶盘结构的失谐鲁棒性.      

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。      

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.     

失调叶片盘的振动机理

本文对于失调叶片盘的耦合振动问题 ,采用子结构模态综合法建立系统的振动微分方程 ,利用试验模态分析及模态修正计算求得调谐叶片和外缘带锥壳轮盘的若干低阶模态。通过对叶片模态刚度的微量摄动 ,构造真实的失调叶片盘和各种理论分析失调模型。对某个实际的失调叶片盘的非旋转强迫振动试验验证了系统的力学模型和计算公式。计算结果分析表明 ,失调叶片盘强迫振动响应中个别叶片振动过甚乃为叶片失调所致。对各种失调模型的振动计算表明 ,小频差的随机失调优于其他失调分布形式。并就算例给出了最佳频差幅值和恰当的发动机工作频率范围。     

带摩擦阻尼的叶片响应求解方法

 提出了一种可用于带摩擦阻尼的复杂结构的动力特性的计算方法——动柔度法。给出了计算公式及流程。并用此法对一带摩擦阻尼器的模型叶片进行了稳态响应的计算。通过理论计算并与实验对比表明,动柔度法是一种可用于复杂结构响应计算的高效的算法。由于叶片与阻尼器之间有复杂的运动关系,在用于带阻尼器的叶片的响应计算及阻尼器优化设计时,此法将更显优越。     

带冠涡轮叶片干摩擦阻尼减振试验研究

为验证某型真实带冠涡轮叶片叶冠干摩擦阻尼减振效果,本文建立了可实现正压力连续调节的非旋转状态涡轮叶片试验系统,对不同接触紧度、不同接触角度的真实带冠涡轮叶片的振动响应进行了测试。通过试验分析了叶冠接触面紧度、接触角度等重要参数对带冠叶片振动特性和减振效果的影响规律,结果表明：带冠涡轮叶片出现了明显的非线性现象,同时存在一个最优的接触紧度使得该带冠涡轮叶片的减振效果最佳。接触角度的选取应综合考虑叶冠振动能量的消耗能力和带冠涡轮叶片共振频率的稳定性。     

低控制电压的杂交阻尼

提出一种用多层压电片和约束阻尼层在低控制电压下进行结构振动的杂交阻尼控制方式。基于各种材料的本构关系,导出了多层压电片作用在梁结构上的力和所施加的电压以及结构的运动之间的耦合关系和系统的控制微分方程。讨论了多层压电片附加位置的优化。仿真计算表明,这种杂交阻尼控制方式有着良好的振动抑制效果和较低的控制电压。     

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。     

相位延迟边界条件在叶轮机械颤振分析中的应用

基于带相位延迟的周期边界条件,建立了某跨声速转子的双通道高效气动阻尼计算模型.数值计算了该转子的气动性能、颤振边界和叶片模态,和实验数据吻合较好.通过传统的多通道能量法以及双通道方法计算了叶片在一弯模态,不同叶片间相位角条件下的气动阻尼,获得了基本一致的计算结果,而双通道方法相比于传统的多通道能量法计算效率提升约7.7倍,内存需求约为后者的0.45倍.不同叶片振幅对气动阻尼结果的影响研究表明,对于较小的叶片振幅,流动非线性对气动阻尼计算结果仍然有显著的影响.不同工况的计算结果表明:叶片间相位角对转子叶片的气动阻尼有显著的影响,对于该转子最小的气动阻尼均在叶片间相位角为-42.4°时得到;同时,在近颤振状态,不同叶片间相位角对应的气动阻尼均小于近设计状态.     

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。     

叶片轮盘组合体模型的多点激振试验研究

 本文介绍了利用我院研制的电涡流激振器在叶轮组合体模型上实现非接触式多点激振的试验研究情况,分析了试验原理,论证了分离纯模态的激振力布点调力调相准则;列出了各模型的试验结果,并对叶片轮盘耦合振动的若干规律作了探讨。文中,还阐明了在复杂结构振动试验中采用多点激振的意义和需要解决的一些问题。     

复杂时变激励下失谐叶盘瞬态强迫响应分析

提出一种高效的失谐叶盘瞬态强迫响应分析方法,不同于传统的数值积分方法,该方法推导出瞬态强迫响应的解析表达式,能更为高效地预测失谐叶盘的瞬态强迫响应。首先,对叶盘的高保真有限元模型进行减缩建模,在精确地描述叶盘结构的动力学特性的前提下,极大的减少了模型的自由度数目。其次,模拟加速旋转的涡轮叶盘经过复杂流场时叶片表面上的气动载荷,并建立叶盘固有频率和振型随转速变化的数学函数;通过共振分析确定叶盘共振的转速区间并分析引起共振的激励阶次成分。最后,计算了不同旋转加速度和阻尼下叶盘的瞬态强迫响应,并对叶盘的失谐幅值放大因子进行研究。应用本办法对某86个叶片的涡轮叶盘进行了数值分析,结果表明,相同阻尼水平下,叶盘的瞬态强迫响应幅值随旋转加速度增加而降低,失谐幅值放大因子在瞬态条件下大于稳态条件下,最高可达30%。     

模拟叶片气激及涂层阻尼减振有效性研究

针对航空发动机叶片高阶振动及阻尼涂层减振有效性的试验验证问题,通过构建旋笛式高频气激试验器,对单个非旋转叶片进行气体激振试验研究,同时完成有无涂层阻尼叶片在高频气激下的振动响应对比试验。结果表明：气动激振可以使叶片处于高应力工作状态,施加阻尼涂层是1种有效抑制振动响应的手段;气体激振测频结果与ANSYS计算、振动台测频结果基本吻合,说明气体激振不仅可以完成振动特性试验,而且可以通过调节气压和流量来控制激振力的大小,以此来控制振幅并完成振动疲劳试验     

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.