弹性支撑条件下裂纹齿轮体有限元模拟与仿真

将齿轮与轴的装配支撑关系考虑为弹性支撑, 采用有限元数值分析ANSYS软件对故障齿轮的动力特性进行了模拟.研究了裂纹故障发生后齿轮动力特性的变化, 分析了不同大小和不同类型的故障对齿轮体动力特性的影响.结果表明:裂纹的大小和位置对动力特性都有影响, 但裂纹发生位置的影响要大于裂纹大小的影响, 即处于齿轮结构体中部的缺陷要比处于外边缘的缺陷对动力特性影响大.另外, 探讨了仿真时设置弹性支撑边界条件的方法, 并通过与固定支撑和自由支撑边界条件的比较, 给出了弹性支撑条件下分析结果的真实性和有效性, 为齿轮故障发生机理和诊断的研究提供了一种方法.      

裂纹齿轮动力特性三维有限元模拟

建立了裂纹齿轮结构的三维有限元动力学模型,分析了齿轮轮齿发生裂纹后的齿轮动力特性(固有频率、振型、动态应力等),并对裂纹出现位置和裂纹尺寸等对齿轮动力特性的影响进行了深入探讨和计算机模拟。指出裂纹尺寸和位置对于齿轮的固有频率和振型都有影响,当出现裂纹后固有频率发生下降,振型也发生变化,而裂纹位置对固有频率和振型影响大于裂纹尺寸的影响,当裂纹位于齿根处时齿轮固有频率下降较大,当裂纹位于齿顶处时齿轮固有频率下降较小,当裂纹出现后齿轮体的振型明显不同于无裂纹时的振型,在裂纹附近振动的振幅增大,并且齿轮体的动态应力也发生变化,与无裂纹的齿轮结构动力特性完全不同。      

声学扰动对燃烧室声学特性的影响研究

针对利用旋转齿轮对燃烧过程施加高频声学扰动的方法,为获得其对同轴离心喷嘴燃烧室声学特性的影响,设计了一种带辅喷管的单喷嘴扁平燃烧室,分别在冷试和热试工况下研究了旋转齿轮声学扰动装置对燃烧室声学特性的影响。冷试中当扰动频率等于燃烧室某振型的特征频率时燃烧室内出现驻波特征振荡。热试重点关注了煤油蒸气/富氧空气燃烧过程对声学扰动的响应,改变扰动装置的位置可改变声压波节线的方向,实现推进剂喷入位置为声压波腹或声压波节。研究表明,一阶切向声学振荡对同轴离心喷嘴与声压波腹的相对位置敏感,煤油蒸气/富氧空气燃烧过程易受声压波动的影响,推测液氧煤油补燃循环发动机内的高频燃烧不稳定性可能易被声压波动激发。     

航空发动机齿轮副动态啮合过程与齿根裂纹扩展轨迹影响因素研究

为了研究航空发动机中附件齿轮箱中的一对齿轮副在动态啮合过程中的响应特性和齿根裂纹的扩展对齿轮系统的影响,利用有限元仿真分析法,基于显示动力学和线弹性断裂力学研究了该齿轮副动态啮合过程和齿根裂纹扩展轨迹影响因素。含有齿根裂纹的齿轮在啮合过程会产生额外的振动和噪声,会引起转速、啮合力、啮合频率、接触应力产生较大波动;齿根裂纹的扩展轨迹不同会导致齿轮系统两种典型的失效模式:轮缘断裂失效或齿断裂失效,发生轮缘断裂的可能性受到轮缘厚度与齿高比值和裂纹初始位置的影响,会随着该比值的减少和初始裂纹位置沿着齿根方向下移而增大,初始裂纹方向对裂纹扩展轨迹影响很小可以忽略。研究成果在工程中可以为齿轮结构的故障监测和结构设计提供参考。     

横向裂纹对转子动力特性的影响

选取转子支承系统为研究对象，利用传递矩阵方法计算转子系统的动力特性，目的在于探求裂纹对转子动力特性的影响。计算结果表明：裂纹对转子的各种动力特性都有影响，但影响很小。这对于发动机的正常工作是非常有利的。但从故障检测方面考虑，若想通过振动特性的变化来检测裂纹故障是相当困难的。     

发动机叶片振动特性分析

分析了发动机转子叶片的振动特性,并运用ANSYS软件平台对含裂纹叶片与无裂纹叶片的振动特性进行了比较,结论表明,可以通过监测叶片振动来判断发动机叶片的结构完整性。     

燃烧室模型倒角对结构声影响的数值计算

针对贫油预混燃烧的研究,建立了燃气涡轮发动机燃烧室实验装置。研究在实际的制造过程中结构倒角对整体装置的影响。取燃烧稳定部分结构段进行计算分析,通过有限元软件ANSYS模拟计算了倒角对结构模型和声模型固有频率的影响;并结合SYSNOISE,计算了燃烧室结构段模型分别在理想情况和考虑倒角情况下的振动特性和声学特性;得出了结构振动响应和产生的瞬态声场特性与结构模型几何特性密切相关。     

含裂纹叶片的失谐叶盘对航空发动机振动特性的影响

某型航空发动机装配有含裂纹叶片的失谐叶盘,基于该型发动机的性能试验,对其排气机匣振动数据进行分析,研究叶盘失谐对发动机转子动力学特性的影响.主要对比了叶盘裂纹长度与整机振动特性的关系,证明了裂纹不仅改变整机振动频率的成分组成,同时,主要频率成分的振动幅值也有较大增加.然而,当裂纹长度比小于0.3,整机振动对叶盘失谐并不敏感,这一论断为在发动机试验中及时判断叶片裂纹故障提供支持.      

轴流压气机整体叶盘叶片裂纹故障研究

某型高压压气机整体叶盘在使用过程中出现叶片裂纹故障。运用ANSYS软件对该转子叶片振动特性进行详细计算分析,并结合裂纹叶片断口宏观、微观及金相组织检查结果,找出了转子叶片裂纹产生的原因;针对故障原因,采取相应改进措施,对转子叶型及结构进行优化设计,并完成试验验证考核。结果表明,针对该叶片裂纹故障的原因分析准确,改进措施有效。     

超声换能器脉冲波声场数值计算与测试

 对超声无损检测中影响缺陷检出率和缺陷评价准确性的换能器脉冲波声场分布特性进行了研究。提出了一种计算超声换能器脉冲波声场声压分布的新方法,计算了不同带宽的换能器脉冲波声场声压分布。研制了测量换能器脉冲波声场的实验系统,实验结果与通过理论计算得到的声场声压分布有较好的一致性。研究结果为仿真换能器脉冲声场提供了一种新方法,同时为提高超声检测的缺陷检出率和缺陷评价的准确性提供了理论依据。     

复杂激励下涡轴发动机中央从动锥齿轮故障机理

针对某小型涡轴发动机燃气发生器转子前端中央从动锥齿轮发生的疲劳断裂故障,同时考虑了齿面高频啮合激励作用和转子-从动锥齿轮耦合振动带来的影响,研究了从动锥齿轮的振动响应特征。结果表明:齿面啮合激励会激起从动锥齿轮5节径振型,同时,转子-从动锥齿轮耦合振动会对锥齿轮产生转子转速2倍频(2×)激励,并激起锥齿轮的俯仰模态振型,除此之外,齿面附加约束作用改变了该振型下的振动应力分布、使疲劳裂纹沿径向扩展,与故障现象相符,证明了该故障机理分析的正确性。     

基于载荷当量安装误差的面齿轮振动特性

以面齿轮传动系统为研究对象,考虑载荷作用下面齿轮传动系统中支撑结构变形和轮齿弹性变形,通过将传动系统变形等效到面齿轮和直齿轮安装误差方向,建立包含当量安装误差的面齿轮多自由度耦合振动分析模型;采用4阶Runge-Kutta法求解了面齿轮传动系统运动微分方程,得到了当量安装误差对面齿轮振动加速度和法向动态啮合力的影响;开展了面齿轮动态特性测试试验,试验结果表明:偏置距误差和轴交角误差引起的面齿轮沿x方向振动加速度大于沿z方向振动加速度;偏置距误差对面齿轮x方向振动加速度的影响大于轴交角误差。      

Nonlinear dynamic modeling of a helicopter planetary gear train for carrier plate crack fault diagnosis

Planetary gear train plays a significant role in a helicopter operation and its health is of great importance for the flight safety of the helicopter. This paper investigates the effects of a planet carrier plate crack on the dynamic characteristics of a planetary gear train, and thus finds an effec-tive method to diagnose crack fault. A dynamic model is developed to analyze the torsional vibra-tion of a planetary gear train with a cracked planet carrier plate. The model takes into consideration nonlinear factors such as the time-varying meshing stiffness, gear backlash and viscous damping. Investigation of the deformation of the cracked carrier plate under static stress is performed in order to simulate the dynamic effects of the planet carrier crack on the angular displacement of car-rier posts. Validation shows good accuracy of the developed dynamic model in predicting dynamic characteristics of a planetary gear train. Fault features extracted from predictions of the model reveal the correspondence between vibration characteristic and the conditions (length and position) of a planet carrier crack clearly.     

Physical model for acoustic resonance in annular cavity structure

A physical model for acoustic resonance in the annular cavity structure is developed to represent the typical characteristic when acoustic resonance occurs. Firstly, the measurement of sound pressure in the casing and rotor blades vibration is operated in a multistage high pressure compressor. The sharp peak frequency and discrete multi-tone occur in the frequency spectrum of sound pressure in the compressor, and the vibration of the first stage of rotor blades synchronously presents the high amplitude. The frequencies associated with rotor blades vibration can be calculated with rotating sound source theory. It is also confirmed that acoustic resonance occurs in the multistage compressor. With acoustic similarity principle, an annular cavity model is established to simulate the typical characteristics of acoustic resonance in the compressor based on Large Eddy Simulation (LES) and Lighthill acoustic analogy. The coupling relationship between cavity acoustic mode and disc vibration mode shape is expounded when acoustic resonance occurs in the model. And acoustic resonance will be locked in the certain flow rate range. All these characteristics match well with those occur in the multistage high pressure compressor.     

薄壁板结构随机声激励振动响应计算与分析

针对航空发动机压气机转子叶片结构声振动问题,建立了薄壁板有限元简化模型,基于耦合有限元/边界元法对薄壁板在行波加载下随机声激励振动响应进行了仿真计算,得到了在不同声压级下的应力响应结果.改变声载荷激励方向,分别对薄壁板施加单音噪声激励和宽频随机噪声激励,通过仿真计算得到了不同角度随机声激励下薄壁板振动响应频响曲线.对比分析发现,薄壁板模态振型与噪声加载方向是引起薄壁板共振的重要因素.     

Experimental study of rotor blades vibration and noise in multistage high pressure compressor and their relevance

Rotor blades fault of aeroengine compressor is mostly caused by mechanical and aerodynamic excitation. And the excitation factor of high intensity sound wave to rotor blades should not be ignored. Experimental researches are conducted on a multistage high pressure compressor. When high level vibration occurs on the first stage of rotor blades, the noise spectrum presents typical characteristic for discrete multi-tone in the compressor. The amplitude of blade vibration displacement and the sound pressure level of characteristic frequency noise increases and decreases simultaneously and reaches the maximum value at the same time. This frequency merely occur on a certain speed range and is locked in a specific range which presents no variation with the rotating speed. When high level vibration occurs on the first stage of rotor blades, the noise spectrum presents a sharp peak and the propagation state of the characteristic frequency is a helix structure in the compressor. It can be confirmed that acoustic resonance occurs in the multistage compressor. The acoustic resonance frequency and its side band frequencies are generated by modulation of a rotating noise source at the rotor speed which is the excitation source of the rotor blades vibration.     

基于循环平稳时间序列的齿轮裂纹故障早期检测

在分析齿轮振动信号的基础上 ,结合其具有循环平稳性的特点 ,提出了基于线性几乎周期时变 AR模型的故障早期检测方法 ,推导了基于高阶循环累积量的模型参数辨识算法 ,具有抑制加性平稳噪声的优点。最后在某型直升机齿轮裂纹故障早期检测中进行了应用 ,结果表明该方法具有很好的预测能力 ,利用模型残差的峭度能够检测和预报早期裂纹故障 ,同时为根据正常样本检测旋转机械故障提供了一种思路      

基于参数自适应变分模态分解的行星齿轮箱故障诊断

针对变分模态分解需要人为设定模态数量以及在强噪声情况下容易造成分解错误的问题,提出了依据功率谱密度极值点自适应确定模态数量与中心频率的参数自适应变分模态分解方法,通过信号仿真分析验证了方法的有效性。基于参数自适应变分模态分解提出了一种行星齿轮箱故障诊断方法,应用于行星齿轮箱第2级太阳轮裂纹的故障诊断,行星齿轮箱传动实验台的试验结果表明:该方法能实现振动信号准确分解,有效提取和辨别出故障特征频率,实现了在强背景噪声和微弱故障信号情况下对第2级太阳轮裂纹故障的准确诊断。