失谐叶盘结构振动问题研究新进展

失谐叶盘结构的研究对航空发动机振动设计和提高其可靠性、完整性具有重要的意义。本文全面阐述了国内外失谐叶盘结构研究的新进展,重点对近年来研究的热点问题：建模、局部化、失谐优化与灵敏度、非线性、失谐识别、多重耦合与颤振等做了详细的评述与讨论,综合了最新的研究方法和取得的成果,对一些新出现的重要研究方向,比如科氏力、多个部件耦合等问题进行了详细的总结,最后提出了需要进一步研究的问题。     

基于振型节径谱的失谐叶盘结构动态特性评价

基于叶盘结构振型的离散傅里叶变换,给出振型节径谱的定义。对于一个简化的叶盘结构,利用节径谱的概念对失谐叶盘的动态特性进行了评价和分析。在固有特性方面,基于节径谱改进了模态局部化因子的定义,得到了随机失谐叶盘的模态特性的统计特征;在响应特性方面,基于振型和激励节径谱的相似程度定义了模态激励因子,很好地解释了随机失谐程度的＂阈值＂效应和最优人为失谐的存在性。算例表明,节径谱是衡量的振型空间分布的重要指标,在失谐叶盘结构动态特性分析和评价中有着重要的应用。     

主动失谐叶盘振动特性及鲁棒性研究

由于随机失谐的存在,实际叶盘通常一定程度地偏离设计值,其动力学特性通常因此而发生较大改变。以某型航空压气机高保真叶盘模型为例,采用失谐叶盘减缩建模方法,对不同阶次激励下的随机失谐叶盘响应特性进行了统计分析。研究表明:叶盘最大响应随着随机失谐值的增大呈先急剧上升后下降并趋于稳定趋势,表现"阀值"效应。此外,将失谐作为设计参数,着重研究了常见的主动失谐叶盘的响应特性,可见主动失谐叶盘相较于同等失谐程度的随机失谐叶盘具有更小的响应幅值。最后,分析了主动失谐叶盘对随机失谐的鲁棒性。     

失谐叶盘结构的概率响应局部化特性

基于某典型叶盘结构的减缩有限元模型和Monte Carlo-响应面法数值计算,详细分析了几何参数失谐叶盘结构的概率响应局部化特性.给出了几何失谐叶盘结构的有限元建模及减缩方法,并通过定义响应放大因子对受迫响应的局部化程度进行定量描述,分别计算了不同形式的随机失谐和主动错频叶盘结构的概率局部化特性,讨论了失谐形式和失谐参数的影响规律等.研究表明,随着失谐程度的增加,失谐系统的响应水平及其分散程度都会有一个峰值存在.      

失谐叶盘结构鲁棒性能分析

在状态空间内建立了失谐叶盘结构的传递函数模型,以失谐传递函数矩阵的结构奇异值为指标,研究了各种失谐参数对叶盘结构鲁棒性能的影响.在此基础上对一个扇区两自由度的简化叶盘结构模型进行分析,考虑了激励阶次、阻尼、失谐程度和人为失谐等因素对系统鲁棒性能的影响.计算结果表明:增加系统阻尼,将失谐范围控制在阈值以外,以及在系统中引入适当形式的人为失谐等三种措施都能有效地提高叶盘结构的鲁棒性能.      

失谐叶盘系统避共振可靠度评估方法

基于振动设计理论,考虑失谐叶盘系统激振频率和模态频率的相关性,提出了1种航空发动机失谐叶盘系统避共振可靠度的计算方法。通过确定性分析和概率分析说明了失谐会增加叶盘系统避共振难度,并得到叶盘系统模态频率的概率分布特性。在此基础上,运用所提出方法,拟合得到失谐叶盘系统的避共振可靠度响应面,进而用该响应面计算不同结构谐波系数下失谐叶盘系统避共振可靠度。将计算结果与蒙特卡洛法及未考虑激振频率和模态频率相关性的传统方法的结果进行对比,验证了所提出方法在失谐叶盘系统避共振可靠性分析中的准确性。     

失谐叶盘结构振动模态局部化实验

基于实际叶盘结构失谐振动模态局部化能量集中的物理特性,以及基于优化方法提出了确定失谐叶盘结构最坏状态模态局部化的方法.通过数值算例表明,该方法可以有效定量确定失谐叶盘结构最坏情形模态局部化,发现失谐跳变模态局部化现象.利用搭建的失谐叶盘模态局部化实验系统,针对典型的整体叶盘结构模型试件进行了失谐振动模态局部化实验,通过实验验证了失谐跳变模态局部化现象,实验测量与理论计算结果得到了较好的相互印证.      

基于耦合场压电分析的失谐叶盘振动仿真模拟

针对典型失谐叶盘结构振动响应局部化实验需求,通过有限元仿真验证实验的最坏叶片失谐模式,基于ANSYS软件的直接耦合场压电分析功能,对粘贴在叶片根部的各压电陶瓷片施加行波谐激励电压,模拟了失谐叶盘的振动响应局部化特性。数值仿真结果与实验结果得到了良好的验证,为进行失谐叶盘振动局部化实验研究提供了有效的支撑。     

错频叶盘结构振动模态局部化特性分析

利用"错频失谐(Mistuning)"是进行颤振抑制的有效手段,但是否会导致较大叶盘结构振动局部化是需要进一步研究的问题.本文以典型压气机叶盘结构为例,通过引入实际的两种错频失谐方案,分析研究了谐调和"错频失谐"情况下叶盘结构振动模态特性和模态局部化性质.研究表明,"错频失谐"会引起显著的振动局部化,因此实际叶盘失谐设计中需要综合考虑颤振抑制和失谐振动局部化两方面.      

基于高保真有限元模型失谐叶盘受迫响应的统计特性

采用极值理论分析失谐叶盘最大受迫响应的统计特性并应用于某压气机叶盘上。对失谐叶盘进行减缩建模，运用蒙特卡洛方法模拟响应计算，研究不同激励阶次下最大响应放大因子的分布特性。采用极值理论对最大响应放大因子分布进行统计学建模，以极大似然估计方法求解未知参数，进行分布拟合，并采用K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验方法检验各分布函数拟合的好坏程度。对某压气机叶盘进行失谐响应统计特性分析，对比了7种分布函数对最大响应放大因子的拟合效果，结果表明:极值分布、二参数威布尔分布、正态分布、对数正态分布和伽马分布拟合效果较差；常用的三参数威布尔分布不如广义极值分布的拟合效果好。因此，说明广义极值分布更能准确地描述失谐叶盘动力响应的统计特性。      

一种基于叶盘结构几何失谐的降阶分析方法

叶片几何失谐严重影响叶盘结构的振动特性。为了准确且高效地对存在叶片几何失谐的叶盘结构进行振动分析,基于扇区建模方法,由动力学方程推导出降阶模型的表达式,利用该降阶方法对整个几何失谐叶盘结构分别进行模态分析和受迫响应分析,并与有限元方法进行固有频率和受迫响应结果的对比。结果表明:该降阶方法得到的结果与有限元方法得到的结果基本一致,验证了该方法的有效性和实用性。     

整体叶盘结构失谐振动的国内外研究状况

阐述了整体叶盘结构失谐问题,包括模态、响应局部化,局部化因子,失谐叶盘结构分析模型和求解方法,重点对近10年研究的热点问题,如非线性、颤振、灵敏度、气动与结构耦合、失谐识别与预测、失谐优化、“错频”失谐、多级多部件叶盘结构耦合、科氏力、可靠性、稳健性等最新的研究成果做了详细的评述.最后提出了需进一步深入研究的问题,如建立更高效、更高精度、更具适用性的模型,真正采用试验方法对理论仿真模拟进一步地验证,气动与结构耦合以及叶冠间隙和摩擦耦合等因素对多级叶盘共同作用,科氏力产生机理,叶盘对失谐的不敏感度及稳健性等.      

具有非线性摩擦阻尼随机失谐的叶盘系统响应特性

针对目前含非线性摩擦阻尼失谐叶盘系统振动局部化机理研究存在的诸多困难,尤其是其非线性力学模型的建立和求解等难题.建立了具有滞迟干摩擦阻尼随机失谐的叶盘系统力学模型,并利用增量谐波平衡法分析了叶盘系统干摩擦力失谐度、耦合强度、黏性阻尼比和摩擦力强度等系统参数对叶盘系统受迫响应的影响规律.研究表明:含非线性摩擦阻尼的谐调叶...     

多谐波法研究带有叶间干摩擦阻尼失谐叶盘系统的共振特性

提出一种高效的多谐波分析方法,以用于研究失谐对带有叶间干摩擦阻尼的叶盘系统共振特性的影响规律.该方法可准确预测叶盘系统在频域的受迫响应,其有效性用数值积分法进行了验证.利用该方法对带有叶间干摩擦阻尼的叶盘受迫振动响应进行了仿真计算,分析了叶盘系统在谐调和失谐两种情况下受耦合强度、黏性阻尼和干摩擦阻尼等系统参数影响下的共振特性.结果表明,提出的多谐波分析法能够高效地研究失谐对带有叶间干摩擦阻尼的叶盘系统共振响应的影响特征,尤其适合考虑各种系统参数的综合影响.     

小失谐对整体叶盘结构动态特性的影响

基于失谐叶盘频差提出了小失谐的概念,总结了其在实际工程叶盘中的表现形式。以扇区3自由度集中参数叶盘模型为对象,系统研究小失谐对不同模态族的模态局部化和响应幅值放大的影响。研究表明:小失谐在模态族最高节径处同样会造成严重的振动局部化现象。当失谐强度为0.001时,模态局部化因子达到17;当失谐强度为0.007时,响应幅值放大可达1.8。小失谐对叶盘结构动态特性的影响显著,在设计和使用中应予以重视。      

叶片安装角对叶盘结构受迫响应特性的影响

利用简化的叶盘结构有限元模型和基于极值原理的改进Monte Carlo模拟技术,详细分析了叶片安装角失谐对叶盘结构受迫响应特性的影响.分别对6种不同安装角误差的叶盘结构的受迫响应进行了数值计算,得到了各自对应的响应放大因子概率密度曲线,通过曲线比较,分析了叶片安装角误差对叶盘结构受迫响应特性的影响规律.研究表明:安装角误差虽对叶盘结构的固有频率影响较小,但对叶片受迫响应影响是很大的,并且受迫响应幅值放大因子随安装角失谐程度增加而增加.      

随机失谐叶盘结构失谐特性分析

为研究失谐叶盘结构最大的强迫响应幅值及最坏失谐模式,提出了运用遗传算法和序列二次规划混合优化方法确定失谐叶片最大的幅值放大系数及相应最坏失谐模式的通用方法.揭示了失谐跳变-局部化现象,构建了与振动响应局部化直接关联的表达因素.失谐敏感度分析表明,失谐叶片最大的幅值放大系数随失谐强度的增加而增大,并在失谐强度上界处取得极值,并没有所谓的失谐"阈值"现象.      

叶盘结构盘片耦合振动特性的参数敏感性

在参数化建模、求解的基础上重点研究了叶盘结构盘片耦合振动频率转向特性、由结构参数随机失谐引起的振动局部化特性对结构设计参数变化的敏感性.对盘片耦合振动频率转向特性的研究发现,随着轮盘扇区间耦合刚度或叶片刚度的变化,频率转向间隙曲线的改变具有碗状形式;对振动局部化特性的研究表明,以轮盘扇区间耦合刚度和结构参数失谐强度为自变量的失谐响应放大因子曲面呈类马鞍形;响应放大阈值现象存在与否,与轮盘扇区间耦合刚度的大小直接相关.若选择位于鞍部的轮盘扇区间耦合刚度-失谐强度组合参数设计,失谐响应放大因子最多能够被减小37.5%.      

用于失谐叶盘动力学特性分析的减缩计算方法

提出了一种用于失谐叶盘动力学特性分析的减缩计算方法.该方法采用基于周期对称的谐波平衡法,建立非线性的迭代方程,能够基于单扇区的矩阵求解整个失谐叶盘的强迫响应,且不存在任何截断误差,因而效率高于部件模态综合法但精度并不降低.从周期对称结构理论出发给出了方法原理的数学推导,在此基础上通过一个失谐叶盘有限元模型算例对该方法的效率与精度进行了讨论.结果表明:相较部件模态综合法,周期对称谐波平衡法矩阵维度减小59.5%,计算复杂度减少93.4%,计算时间节省57.4%.