简谐激励下柔性卡箍支承管路系统响应

针对柔性卡箍支承航空发动机管路系统振动问题,研究了柔性卡箍的刚度特性及其对管路系统响应特性的影响。建立了包含管路和柔性卡箍的管路系统流固耦合有限元模型,给出了系统时域响应的Newmark积分方法。采用解析推导和试验测试两种方法对柔性卡箍刚度特性进行了研究,研究结果表明:柔性卡箍的刚度具有明显的分段线性特性。通过对基础简谐激励作用下管路系统时域受迫响应分析,研究了柔性卡箍支承刚度对系统非线性行为的影响。发现柔性卡箍刚度的不对称性较大时,系统的幅频响应特性曲线出现明显的非线性突跳现象；在特定频率范围,响应中存在激励频率的亚谐和超谐分量；随着流体流速和压力的增加,系统固有频率减小。      

航空发动机外部管路的振动响应分析

针对航空发动机外部管路的动力学设计需求,采用基于试车实测数据的振动响应求解方法,对典型管路的振动响应特性进行了计算分析。研究结果表明:在风扇机匣位置的管路主要承受转子不平衡和风扇气动激励,表现为典型的简谐激励特征,可采用谐响应分析方法求解其振动响应。低阶振型对管路的动态特性起决定作用,振动能量输入导管结构后,响应输出方向可能发生变化。在燃烧室及尾喷口位置的管路主要承受来自于燃烧室火焰脉动和气动噪声激励,表现为典型的随机激励特征,可采用动力学谱密度方法求解其振动响应,得到功率谱密度响应曲线及具有一定置信度的位移分布和应力分布。     

卡箍刚度的有限元计算与实验测定

准确确定卡箍刚度对管路系统的振动特性分析具有重要意义。本文针对航空发动机管路系统中不同卡箍的结构特点,建立了计算卡箍刚度的有限元模型。对单管接地卡箍及双管悬地卡箍的刚度系数进行了有限元计算,还对一典型双管悬地卡箍刚度进行了实验测定。通过卡箍刚度计算结果与实验结果的对比表明,本文建立的卡箍刚度计算方法可用于管路系统振动特性分析工程实际之中。      

考虑螺栓连接的航空发动机管路建模及振动特性分析

为了建立考虑真实卡箍结构影响的管路系统动力学模型、获取结构设计参数和装配参数等对管路系统动力学特性的影 响规律,以航空发动机外部管路为研究对象,考虑金属橡胶卡箍螺栓拧紧力矩的影响,基于ANSYS有限元软件建立了包含螺栓连 接的管路模型。通过模态试验及基础激励响应试验验证了有限元模型的准确性。进一步分析了螺栓拧紧力矩、卡箍跨距及管体 长度对双卡箍管路系统固有频率的影响规律。结果表明：拧紧力矩的增大导致管路的固有频率的提高,针对本研究模型,在拧紧 力矩达到8 N·m以后,管路固有频率逐渐趋于稳定;拧紧力矩对不同长度管路的固有频率影响不同,管路越长,拧紧力矩的作用越 弱,即卡箍的支承刚度对管路固有频率的影响越弱。     

基于测试数据的卡箍非线性等效建模方法

为了快速准确地计算卡箍管路系统的振动响应，提出了基于测试数据的卡箍非线性等效建模方法。对卡箍直管系统进行低幅值激励的模态测试，利用试验数据对有限元模型进行修正，识别卡箍线性刚度、线性阻尼参数。对卡箍直管系统开展不同激励水平下的恒力测试，通过样条插值多项式法将恒力频响函数转换为恒位移、恒速度频响函数，并进一步识别卡箍非线性等效刚度、非线性等效阻尼，建立了考虑卡箍非线性的等效动力学模型。研究表明:该卡箍等效动力学模型的预测频响函数与试验频响函数的最大误差仅为-6.9%，可以有效地反映卡箍实际的刚度、阻尼特性，对解决卡箍管路系统的振动响应分析具有重要的指导意义。      

航空发动机管路振动应力原位抑制试验

为解决航空发动机管路振动应力超限问题,提出航空发动机管路振动应力原位抑制概念,制定了管路振动应力原位抑制流程,提炼出基于管路基本管型、卡箍基本约束方式的振动应力原位抑制方法;结合发动机整机试验,对管路系统振动应力测试截面、试车程序进行了分析,并将所建立的分析流程和方法应用到某型发动机管路系统设计和试验中。结果表明:振动应力原位抑制后的管路系统承受住了实际工作环境的考验,验证了流程和方法的有效性;管路两端管接头焊接处、与附件相连接头处、刚性接地卡箍处,是应力较大的区域,应进行重点监控;采用3 min试车方案可在保证测量数据准确有效的前提下,降低测试成本并提高1倍的测试效率。管路振动应力原位抑制流程和方法可为航空发动机管路系统的设计、振动应力测试及抑制提供参考。     

多重激励下机匣振动能量传递规律与耦合特性

为了研究机匣振动能量的传递规律和转子多重不平衡激励能量在机匣上的耦合特性,采用有限元法建立了包括压气机机匣、燃烧室机匣和涡轮机匣组件在内的航空发动机整机机匣模型,应用结构声强法计算分析了机匣在不同激励频率下振动能量的传递规律和耦合特性。结果表明:(1)机匣共振时,振动能量的穿透力最强,主要以纵波和剪切波的形式穿过机匣安装边向其他部件传递。(2)机匣的模态振型与其振动能量传递特性有关,振动幅值较大的机匣组件同时也是主要参与振动能量传递的机匣组件。(3)振动能量在机匣上的传递具有解耦特性,多重激励同时作用下的机匣振动能量传递特性可以分解为多个单一激励作用下机匣振动能量的线性矢量和。     

多重激励下机匣振动能量传递规律与耦合特性

为了研究机匣振动能量的传递规律和转子多重不平衡激励能量在机匣上的耦合特性，采用有限元法建立了包括压气机机匣、燃烧室机匣和涡轮机匣组件在内的航空发动机整机机匣模型，应用结构声强法计算分析了机匣在不同激励频率下振动能量的传递规律和耦合特性。结果表明：（1）机匣共振时，振动能量的穿透力最强，主要以纵波和剪切波的形式穿过机匣安装边向其他部件传递。（2）机匣的模态振型与其振动能量传递特性有关，振动幅值较大的机匣组件同时也是主要参与振动能量传递的机匣组件。（3）振动能量在机匣上的传递具有解耦特性，多重激励同时作用下的机匣振动能量传递特性可以分解为多个单一激励作用下机匣振动能量的线性矢量和。     

某型管接头系统的动强度分析及优化设计

针对某型飞机管接头系统采用了动力学优化的有限元分析方法,进行了冲击压力载荷下系统的动强度及卡箍特性的优化分析,得到了不同卡箍参数对系统动力学特性的影响,提出了满足系统动强度要求的优化设计方案,最终使管路系统的安全可靠性得到了保障,为系统的安全性指导和设计提供了理论依据。     

燃油管路系统振动特性有限元技术研究

航空发动机燃油管主要用于提供燃油,属于复杂3维管路系统.为了更好地分析管路系统的振动特性,以双路总管燃油管路系统为例,结合其管路繁多、连接结构多样、支撑结构特殊、管内充液等特点,系统研究了各部件的有限元模拟方法.考虑到支撑刚度对管路系统振动特性有较大影响,采用有限元静力分析对其进行了求解.结合以上不同部件的分析方法,建立起系统的振动有限元模型.对该管路系统进行模态分析,得到系统固有频率变化规律及具有分簇特点的振动模态;对系统进行共振评估,认为副燃油分管最有可能发生共振,提出了振动优化的合理建议.     

发动机外部管路系统的卡箍布局多目标优化

针对航空发动机外部管路系统卡箍布局不合理而导致发动机发生共振或振动过大问题,对发动机复杂管路的卡箍布局 进行优化设计。将卡箍简化为末端固定的线性约束弹簧单元,建立管路系统的整体有限元模型;进行卡箍在复杂3 维管路上的位置 参数化处理;通过相对灵敏度分析获得对固有频率以及随机振动响应影响较大的5 个关键卡箍位置参数;确定2 个优化目标分别 为前4阶固有频率远离发动机工作频率和随机振动应力均方根响应最小化;采用多目标遗传算法对5 个关键卡箍参数进行优化。 结果表明：通过优化设计同时实现了多阶频率调节和随机振动应力均方值的减小;对不同优化方案的效果进行对比发现,不同的优 化方法各有优劣,无法使2 个优化目标同时达到最优结果。     

卡箍-管路系统固有特性计算与试验方法

以航空发动机中的卡箍-管路系统为研究对象,基于自主设计的卡箍刚度试验测试装置,对直径为8 mm的卡箍的线刚度和角刚度进行了试验测试。根据实测卡箍刚度,采用线性弹簧对其进行离散化等效处理,并基于自编有限元法建立了卡箍-管路系统的动力学模型。通过试验与仿真所获得的固有频率及频响函数的对比,从而验证了卡箍刚度测定及有限元模型的合理性,并进一步研究了拧紧力矩对卡箍-管路系统固有频率的影响。结果表明:拧紧力矩的增加会导致管路的固有频率增大,且针对所研究的卡箍,当拧紧力矩大于8 N·m时,管路固有频率逐渐趋于稳定。      

某航空发动机卡箍断裂故障分析

针对某航空发动机在试车过程中风扇机匣安装边上用于固定管路的多处卡箍发生的断裂故障,通过对卡箍故障件进行断口分析和设计复查等,确定了卡箍断裂发生的原因:在设计状态下,卡箍上、下瓣之间装配夹角较大,在螺栓拧紧过程中,造成卡箍结构故障位置产生较大的初始局部应力,在较大的振动环境下导致综合应力增大,由于故障位置结构强度储备不足,从而发生高周疲劳断裂。通过对卡箍结构采取加装2 mm厚钢垫、降低静应力等改进措施优化设计,降低了其静应力,提高了其强度储备,有效避免此类故障再次发生。     

转轴-轮盘-裂纹叶片耦合系统的叶尖振动特性

航空发动机叶片在极端恶劣环境中工作,容易产生裂纹进而缩短叶片寿命,严重影响航空发动机的安全运行。以转轴-轮盘-裂纹叶片耦合系统为研究对象,采用有限元、假设模态混合的建模策略,利用有限元模拟转轴,基于Kirchhoff板理论、Timoshenko梁理论模拟轮盘、旋转叶片,并根据时变的释放应变能确定呼吸裂纹导致的时变损失刚度,建立了相应的动力学模型;通过对比耦合系统的固有特性和振动响应验证了提出方法的正确性;剖析了重力载荷、转子不平衡力、气动载荷对叶尖振动特性的影响,并研究了不同无量纲裂纹深度和裂纹位置对叶尖振动特性的影响。研究结果表明：健康叶片中,重力载荷会导致叶片产生振动,转子不平衡力会导致叶片发生静变形;在旋转状态下,裂纹叶片导致叶尖弯曲位移产生偏移量;在气动载荷作用下,呼吸裂纹导致叶片发生非线性振动;常值分量与转频幅值比、常值分量与气动激励频率幅值比是评价呼吸裂纹的有效指标。本文的建模方法和分析结论可为航空发动机叶片裂纹故障诊断提供了一定的理论依据。     

航空发动机整机振动问题研究方法及工程应用

针对航空发动机整机振动特征溯源困难的现状,以某型发动机典型振动突变特征溯源研究为例,提出了一种基于整机及部件动力学试验手段的振动特征溯源研究方法。该方法首先通过整机及部件动力学试验测试手段揭示发动机动力学特性和典型现象深层特征,然后通过综合剖析方法溯源振动特征的动力学原因及结构原因。通过发动机全静子机匣支承动刚度和整机模态特性试验研究,获取了静子支承动刚度特性与整机模态特性。通过发动机转子全转速下动特性与转子模态试验研究,揭示了转子在离心载荷作用下的不平衡激励和弹性线变化规律,以及转子连接界面在不同力学参数下的模态特性。通过整机工作条件下的转子轴承座全息测振和基于发动机叶尖间隙的转子全息测振试验研究,揭示了发动机典型振动特征的瞬变特征、支点工作振型、转子涡动及初相点等特征的变化规律。经综合研判,得到了该发动机振动突变特征的原因是转子连接界面变化所引发的转子不平衡激励状态突变的结论。基于该机理开展了转子本机平衡技术研究,有效地抑制了多台发动机的振动突变特征,进一步表明该溯源方法的正确性。     

航空发动机管路流固耦合固有频率计算与分析

本文使用ANSYS有限元软件对航空发动机管路的流固耦合振动进行分析研究。讨论了管内流体质量、压力、温度,管路形状、截面尺寸对管路流固耦合固有频率的影响。最后,考虑上述所有影响因素,对一实际发动机燃油管路进行计算．得到了其固有频率和振型。     

发动机管路卡箍位置动力灵敏度分析与优化设计

针对发动机管路卡箍布置过程中存在的经验性和随意性的问题,将卡箍支撑视为末端固定的平移约束弹簧单元,定义任意两个卡箍之间的管道长度为随机变量.采用有限元法结合离散抽样分析了结构参数对复杂管路系统基频和随机振动的灵敏度,结果表明某些卡箍间距的变动比其他参数的影响更为明显.讨论了卡箍数量和刚度对管路系统的动力学特性的影响规律,并分别以基频与外界激振频率的差值最大化,以及随机振动均方差响应最小化为目标,利用罚函数法对复杂管路系统的关键卡箍位置进行了优化设计.      

基于ANSYS平台的多支撑空间单管路避振优化

为了合理地确定航空发动机中卡箍的布局,以有效避开发动机转子的激振频率,进而大幅度降低管路系统的振动水平, 基于ANSYS平台,针对多卡箍支撑的空间管路开展卡箍布局优化研究。描述了空间管路的有限元建模过程,将卡箍的位置作为 设计变量,卡箍的可移动范围作为约束条件,以管路系统最大第1阶固有频率作为目标函数,建立了空间管路避振优化模型,并给 出了先执行灵敏度分析再进行优化求解的方法。结果表明：基于灵敏度分析减少了设计变量的数量后,其优化结果与考虑所有设 计变量的优化结果基本一致;优化后管路系统第1阶固有频率增大,避开了所设定的激振频率。通过试验校验了所创建的有限元 模型的合理性,并在此基础上进行了卡箍布局优化实践。     

基于转静子耦合的组合压气机动力特性分析

组合压气机被广泛用于中小型航空发动机,高转速和机匣薄壁化使得转、静子之间的耦合日趋严重,有必要对其转子-支承-机匣系统的动力特性进行研究。建立了不同机匣厚度的组合压气机实体模型和有限元模型,采用有限元法,分别对组合压气机转子-支承系统和转子-支承-机匣系统进行动力特性分析,对机匣部件进行模态分析,并对转子-支承-机匣系统进行不平衡响应分析。结果表明:转、静子耦合不仅使组合压气机系统多出以机匣弯曲振动为主振型的临界转速,同时对以转子弯曲振动为主振型的临界转速影响明显,在工程中需考虑转、静子耦合效应对发动机临界转速的影响。     

俯冲拉起飞行条件下航空发动机整机动力学特性分析

以某航空发动机带机匣双转子试验器为参考,分别采用截锥壳元素法和Timoshenko梁理论对其机匣和双转子系统进行了有限元建模,得到了试验器的整机转子动力学有限元模型。研究了俯冲拉起飞行条件下机匣支承刚度、安装节支承刚度与机动载荷对双转子航空发动机整机动力学特性的影响。研究结果表明:机匣支承刚度与机动载荷对发动机产生转静子径向碰摩的影响较大,而安装节支承刚度对发动机产生转静子径向碰摩的影响相对较小;机匣测点振动随机匣支承刚度的减小而减小,随安装节支承刚度的减小而增大;机匣测点振动对俯冲拉起机动载荷变化不敏感。