航空发动机金属波纹封严环性能分析

为提高航空发动机用金属波纹封严环的密封性能,通过利用有限元方法对金属波纹封严环进行有限元分析,对不同断面形状的封严环轴向刚度变化、径向尺寸变化和应力分布情况进行了对比,得到了基于波节的金属波纹封严环外形尺寸的初步优化设计方案。通过对金属波纹封严环应力的观察分析,结果表明：圆弧波节的应力分布比较均匀,合理优化圆弧波节的外形尺寸以减小径向变形和轴向刚度,可较大地提升金属波纹封严环的稳定性和使用寿命,对航空发动机金属波纹封严环的理论研究及优化设计与制造具有一定参考指导意义。     

具有接触接合面的篦齿封严组件振动特性分析

运用弹性力学理论研究了篦齿封严组件及其减振结构之间过盈装配压力和接触刚度的求解方法,在此基础上给出了具有接触接合面的封严环/阻尼片组合结构动力特性的分析方法,并且研究了阻尼片厚度、阻尼片周向分布数量、装配过盈量等参数对结构动力特性的影响规律.转动情况下封严环离心应力与阻尼片厚度近似成线性关系;阻尼片的周向分布数量影响封严环的固有频率和振型;阻尼片沿周向分布数量越多,应力分布越均匀,封严环的离心应力越小.     

箔片结构库伦摩擦效应对径向箔片轴承特性的影响

基于有限元法建立波箔型气体径向轴承箔片结构的库伦摩擦模型,通过改变平箔片与波纹箔片之间以及波纹箔片与轴承座之间的摩擦因数,对比分析了在各种载荷分布条件下波纹箔片库伦摩擦模型与文献中线性弹簧模型的刚度特性,研究了库伦摩擦效应对波纹箔片刚度特性的影响规律.在此基础上,运用有限单元法和有限差分法求解雷诺方程和气膜厚度方程,研究了在两个工作转速下气体波箔片轴承中截面处最小气膜厚度随轴承承载力的变化规律以及承载力随偏心率的变化规律.通过数值仿真对该模型、文献中线性弹簧模型和刚性表面气体轴承进行对比分析,并把气膜厚度分布与文献结果进行了对比.结果表明:箔片的库伦摩擦力在一定程度上增大了波纹箔片的刚度,并且随着摩擦因数的增大其刚度以及两端固定的波纹箔片个数也增加,使得箔片轴承表面变“刚”,因此轴承静特性更趋于刚性表面轴承,此外当轴承承载力一定时,箔片摩擦因数越大轴承的最小气膜厚度越小.      

附加阻尼环的航空齿轮强迫响应分析方法

为了避免航空齿轮振动过大导致齿轮辐板破裂,在齿轮外缘安装阻尼环是一种有效减振方法。针对工程中阻尼环设计时缺乏有效便捷的设计方法问题,基于能量法建立了航空齿轮节径型振动下阻尼环的等效参数模型。在给定模态振型下,将阻尼环的影响效果简化为依赖于齿轮振幅（振动应力）的等效阻尼、等效刚度和等效质量,实现了齿轮-阻尼环系统幅频响应快速求解。以某航空齿轮为例,分析了激励载荷、摩擦系数、转速以及结构固有阻尼对强迫响应的影响,结合许用振动应力进行了阻尼环优化设计。结果表明：阻尼环减振效果与振动应力具有强非线性,在本文给定的激励载荷及100 MPa许用振动应力下,阻尼环质量比不应大于5%,最佳摩擦系数为0.1,设计得当的阻尼环能够降低50%以上的振动应力。     

弹性环式挤压油膜阻尼器流固耦合计算

为了了解弹性环式挤压油膜阻尼器减振特性,基于流固耦合求解的计算方法,在运动学和动力学条件均得到满足的前提下,通过实例建立弹性环式挤压油膜阻尼器的油膜和弹性环有限元耦合模型,应用有限元方法计算得到详细的弹性环变形和油膜压力特性等流固耦合结果,在此基础上探讨了弹性环式挤压油膜阻尼器的减振机理以及与传统挤压油膜阻尼器在减振机理上的差异。结果表明:弹性环式挤压油膜阻尼器内的油膜压力分布趋势与传统挤压油膜阻尼器趋势相当,但呈现与油腔间隔相关的阶梯状分布,弹性环的计算结果也较传统方法的更为复杂。     

环形动力吸振器进行转子振动控制的实验

对环形动力吸振器在转子振动控制中的应用进行了实验研究,基于单圆盘转子模型和振动特征,设计了一种安置于轴承上的对分式环形动力吸振器.吸振器可以安装在两轴承间任意位置,不改变原有支撑结构,不影响转子动力特性.建立了转子吸振器减振实验台,对转子经过临界转速时的振动进行了实验,结果表明吸振器能有效降低转子经过临界转速时70%以上的振动.增加吸振器质量,可以精确调节吸振器固有频率,并拓宽减振频带.实验研究了吸振器安装位置与减振效果的关系,结果表明在转子振幅较大区域,减振效果较好.对比了不同数量吸振器在转子不平衡振动下的减振效果,结果表明安装2个吸振器的减振效果要好于单独1个作用时.      

弹性环挤压油膜阻尼器-转子系统临界转速特性

弹性环挤压油膜阻尼器ERSFD是一种新型的旋转机械支点阻尼器,其良好的减振调频特性,能够有效地对转子振动进行控制。为了获得ERSFD-转子系统的临界转速特性,考虑了支点的刚度特性对临界转速的影响。首先,利用有限元接触分析技术和有限差分法计算,分别获得了弹性环和油膜的刚度特性,再通过ERSFD-转子系统的不平衡响应计算获得不同刚度特性下的临界转速特性,经转子动力特性试验验证,最终确定了影响临界转速的重要因素,即弹性环凸台处的接触状态。     

基于非线性渐进损伤模型的复合材料波纹梁耐撞性能研究

基于连续介质损伤力学,提出了一种包括层内和层间失效的非线性渐进损伤模型来预测复合材料波纹梁在轴向冲击下的失效行为。其中,层内损伤采用最大应力准则,并结合指数型损伤演化法则和刚度折减方法预测失效后的材料参数。层间损伤模型则采用了二次名义应力准则、基于混合模式能量的指数型损伤演化法则和黏性刚度折减方法建立。基于该模型,对典型的波纹梁结构参数和触发等对耐撞性的影响进行了研究。结果表明数值模拟结果与试验结果基本吻合,模型能够准确地模拟复合材料波纹梁在冲击过程中出现的分层、纤维和基体破坏等失效模式。波纹梁在破坏过程中吸收的能量、比吸能和载荷峰值随层数不断递增,降低高度和减小触发结构的截面面积均会降低载荷峰值。     

涡扇发动机轴向定位弹性环优化设计

针对涡扇发动机轴向弹性环(安装于4#轴承前端,起轴向定位作用)使用后存在较大残余变形导致轴向定位不可靠的问题,通过力学解析法和有限元计算方法相结合的方式,提出了轴向弹性环优化目标函数,对该轴向弹性环的应力、刚度进行优化设计,得到了符合工作条件相对合理的优化方案。相对于原弹性环,优化后的弹性环工作后残余变形明显减小,有效解决了4#支点处轴向定位不可靠的问题。此优化方法可为其他类似弹性环的优化提供参考。     

组合弹性支承结构的设计与试验研究

组合弹性支承是鼠笼式弹性支承加弹性环（内部充油）的一种支承结构形式，鼠笼起调整支承刚度和定心弹簧的作用；而滑油在压力的作用下，通过弹性环上的阻尼孔，产生节流损失，以提供支承的阻尼。本项研究从影响支承动力特性的各种因素着手，开展设计及试验验证。试验表明，该弹性支承既能起到良好的调频和减振效果，又能起到良好的定心作用。     

弹性环金属橡胶支承结构刚度设计与试验验证

 弹性环金属橡胶阻尼器(MRD/ER)是本文提出的一种有别于传统挤压油膜阻尼器的新型无油润滑转子弹性支承阻尼结构,其支承刚度主要来源于弹性环和金属橡胶,并利用金属橡胶阻尼元件提供结构阻尼。该结构具有良好的线性支承刚度且对转子振动阻尼减振效果明显,其限幅凸台限制转子系统可能出现的过大振幅,保证系统安全可靠。本文对该种弹性阻尼支承结构进行结构和动力学设计,并通过刚度阻尼性能仿真计算以及相应的试验进行验证,结果表明:在准静态试验中,阻尼器的组合刚度在大变形范围内具有良好的线性特征且具有稳定的阻尼性能;在动态试验中,结构动刚度随激振频率的增加而减小,在宽频域内具有较大的阻尼系数。     

弹性支承黏弹性阻尼-航空发动机薄壁机匣动力学特性分析

面向航空发动机薄壁机匣部件黏弹性约束层阻尼减振分析的工程需求,开展黏弹性阻尼-机匣弹性支承边界模拟和结构动力学分析研究。将机匣进行力学简化为圆柱壳体模型,通过引入一系列人工弹簧,将圆柱壳边界载荷的转化为弹簧的弹性势能,实现了机匣任意边界支撑刚度的有效模拟。结果表明：增大边界刚度可以提高机匣的固有频率,机匣的阻尼特性对支承刚度的敏感性与固有频率相反。此外,在机匣工程设计过程中,可以通过加强支撑结构的环向和法向刚度,获得满意的结构动力学特性。     

气体静压止推轴承静动态性能及振动抑制

为探讨抑制气体轴承自激振动的新手段,研究了圆盘形单个小孔节流的气体静压止推轴承振动问题。通过两平行圆盘间的气体流动方程,推导建立了气体轴承静动态特性分析模型。通过数值分析的方法,研究并总结了供气压力和气膜厚度对气体轴承静态承载力、静态气体质量流量、静动态刚度以及动态阻尼的影响,计算得到了一系列气体轴承静动态特性变化曲线。然后针对系统出现负阻尼情况,通过引入非线性能量阱(NES)来抑制自激振动的问题。研究结果表明,提高供气压力可以有效地提高气体轴承的静态性能;气体轴承的自激振动主要源于气膜挤压的负阻尼特性;同时,当NES的阻尼超过临界阻尼时,可以使系统的振动得到有效的抑制。     

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。      

浮环挤压油膜阻尼器对模拟低压转子突加不平衡响应影响分析

为了研究浮环挤压油膜阻尼器对涡轴发动机模拟低压转子突加不平衡响应的影响,建立了考虑多种耦合的带浮环挤压油膜阻尼器模拟低压转子的动力学模型,推导其运动方程并采用数值方法进行了求解,分析了系统响应随浮环与轴承质量比值、支承刚度和油膜间隙等设计参数的变化.研究表明:相比传统挤压油膜阻尼器,浮环挤压油膜阻尼器更好地抑制了转子系统加速过临界时的瞬态响应以及稳速和升速过程中的突加不平衡响应;增大浮环与轴承质量比值、减小弹性支承刚度和挤压油膜间隙,能够更好地抑制突加不平衡响应的瞬态振幅和瞬态过程;转子系统由于油膜非线性引起的双稳态大振幅区会随浮环与轴承质量比值的增大而减小,而随挤压油膜间隙值的减小而增大.      

突加不平衡下弹性环挤压油膜阻尼器减振性能实验

为了研究在瞬态冲击（突加不平衡）下弹性环挤压油膜阻尼器(elastic ring squeeze film damper,ERSFD)对转子系统突增振动的抑制效果，设计并搭建带ERSFD的转子动力学实验台，开展突加不平衡动力学实验，获取阻尼器供油和不供油下转子系统升速及降速过程中的振动响应规律。结果表明ERSFD供油后有效地抑制了突加不平衡引起的瞬态响应，降低了突加不平衡引起的额外振动74.39%，同时抑制了转子经过临界转速的基频振动（幅值最大降低了62.18%）;ERSFD供油后会在转子系统中引入额外的刚度和阻尼，其综合效果表现为转子的临界转速较ERSFD不供油的状态下，1阶临界转速降低2.39%。     

带颗粒减振剂的碰撞阻尼的理论与实验

以两颗粒弹塑性碰撞耗能模型为基础,建立了带颗粒夹击的两球碰撞模型,在此基础上提出了带颗粒减振剂的碰撞阻尼的计算模型,模拟了在带颗粒减振剂的碰撞阻尼作用下的悬臂梁的减振性能.同时对悬臂梁在带颗粒减振剂的碰撞阻尼作用下的减振效果进行实验研究,理论计算结果与实验结果在振动周期、转折点、振幅及共振点迁移等方面均相吻合,验证了提出的模型.得到了以下结论:①带颗粒减振剂的碰撞阻尼的计算模型是可靠的;②带颗粒减振剂的碰撞阻尼具有优秀的减振性能,远远超过单体碰撞阻尼;③带颗粒减振剂的碰撞阻尼对于减小负阻尼的不利影响具有一定的帮助.      

带气膜阻尼环的转子系统动力特性试验

提出一种具有金属橡胶弹性外环的气膜阻尼环(AFD)作为转子系统的辅助支承阻尼元件.建立AFD的力学模型,解释其工作机理.建立带AFD转子系统的试验台和测控系统,对比无AFD转子系统的动力特性,验证AFD的辅助支承阻尼性能.通过对AFD振动位移和相位的测量,说明气膜环在转子运转过程中的跟踪振动响应过程.通过对比气膜环和转子轴颈在转子系统运转过程中的相位差,验证AFD的工作机理和阻尼减振性能.最后研究初始气膜间隙对AFD性能的影响.研究结果表明:由于AFD具有可动金属橡胶环,气膜环能够跟随转子轴颈的振动量,自动调整偏心振动量和相位,具有自适应特性.在金属橡胶和气膜的刚度和阻尼作用下,AFD作为转子系统的辅助支承阻尼元件,为转子系统提供附加支承刚度和有效阻尼,起到限幅减振的作用.而初始气膜间隙越小,辅助支承阻尼作用的效果越明显.      

SMA复合材料低速冲击数值模拟方法

利用形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)独特的超弹性效应,提出一种利用形状记忆合金提高复合材料结构抗低速冲击性能的方法.基于形状记忆合金的分段化线性简化模型,利用ABAQUS有限元软件提供的VUMAT子程序编制了SMA合金超弹性本构关系并将其引入到复合材料层板低速冲击模型,提出了含SMA复合材料低速冲击数值模拟方法.研究形状记忆合金利用迟滞阻尼特性吸收部分形变能量并加以释放的过程,探讨SMA纤维对复合材料层板抗冲击性能的增强规律.结果表明,随着SMA体积分数的提高,复合材料层板的冲击应力峰值和挠度会下降,但在低SMA体积分数(<10%)情况下,对挠度的改善作用不明显;同时随着SMA体积分数增加,单位体积SMA的冲击能量吸收率会降低,在SMA体积分数为5%~10%时,SMA纤维具有最高的能量吸收率.得出了SMA纤维具有改善复合材料抗冲击性能的作用的结论.