基于有限元法的转子细观结构对宏观刚度的影响

基于有限元法,通过研究转子内部细观结构非线性环节对宏观系统动力学参数影响的规律,构建了降维映射函数的研究思路.针对某型航空发动机轮盘拉杆螺栓接触结构,通过适当简化转子模型,利用ANSYS软件分析轮盘不同偏心状况下,拉杆螺栓不同预紧状态对宏观刚度的影响,探究其刚度非线性特性.结果表明:螺栓均匀预紧,预紧力变化,转子系统非线性特征的变化趋势与偏心夹角有关;半数螺栓松动,偏心夹角越大、松动预紧力越小,非线性特征越明显.      

多故障转子-滚动轴承系统的动力学特性

为深入研究多故障转子-滚动轴承系统的机理,充分考虑了旋转部件的扭矩、剪切力、转动惯量及陀螺力矩等效应,采用Timoshenko梁单元和转盘单元建立了转子的有限元模型,集成了滚动轴承动力学模型,及不平衡、不对中、碰摩、裂纹及松动等故障模型,得到了多故障转子-滚动轴承系统的动力学方程。采用变步长龙格库塔法,获得了转子-滚动轴承系统的位移响应,研究了系统位移响应随转速变化的分岔图、庞加莱截面,以及故障特征处的时域波形图、轴心轨迹图、相平面图和频谱图,探究了多故障转子-滚动轴承系统的故障特征及其动力学特性和规律。仿真分析结果表明：多故障转子-滚动轴承系统在运行过程中存在周期运动,拟周期运动和复杂的类混沌运动等丰富的非线性行为,且在各非线性行为转速区间内,会呈现不平衡、不对中、碰摩、裂纹和松动等单一故障或耦合故障的特征和现象。     

支承松动的转子系统动力学模型及其故障诊断方法

针对滚动轴承转子系统支承松动故障 ,考虑了松动间隙的非线性情况 ,以转子动力学、Hertz接触理论和非线性动力学理论为基础 ,建立了转子系统的动力学模型。对转子系统动力学方程在松动故障和无故障情况下分别进行数值积分 ,得到两种情况下轴承座 (有故障时为松动端 )上的振动仿真信号。利用频谱和小波变换对所获振动信号进行了处理 ,并将结果进行了分析 ,得出小波变换不但能很好地诊断滚动轴承—转子系统的支承松动故障 ,而且比 Fourier变换在更低转速下诊断出转子系统的支承松动故障      

双盘三支撑转子轴承系统松动-碰摩耦合故障分析

针对由于支座松动而引起松动-碰摩耦合故障的转子-轴承系统,建立了双盘三支撑的松动-碰摩耦合故障转子系统力学模型和有限元模型.基于非线性有限元方法,使用松动端等效刚度模型及接触理论研究了碰摩刚度和松动刚度两个重要参数对系统动力学特性的影响.通过对在不同碰摩刚度及不同松动刚度条件下的系统动力学特性的研究,发现松动-碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征为主,并且时域波形高矮峰交替出现,轴心轨迹呈现“梯形”,这一特性可以作为诊断松动-碰摩耦合故障的一个依据.      

带干摩擦阻尼结构叶/盘系统动力学分析

本文对叶轮机等动力机械中带干摩擦阻尼结构的减振机理进行了研究 ,并对带此结构的叶 /盘系统的响应特性作了深入的理论分析与数值计算。采用谐波平衡法对此系统的非线性动力学特性进行线性简化 ,建立此系统的等效刚度及等效阻尼。在有限元数值分析中导出系统的响应特性计算方法 ,并藉助于 ANSYS软件对某型涡轮风扇发动机的带凸肩风扇转子及某型涡轮喷气发动机带拉筋涡轮转子为分析实例。由不同的干摩擦阻尼下系统的幅频特性族曲线可导出阻尼的临界值 ,并导出干摩擦阻尼接触面正压力优化的概念。所得结论对今后动力机械中带干摩擦阻尼减振结构的合理设计与寻优具有指导意义     

盘式拉杆转子双稳态振动特性

针对盘式拉杆转子出现的"双稳态"振动故障,考虑拉杆转子特殊的结构形式以及各个接触面的接触效应对转子刚度的影响,将拉杆和接触面等效为一个具有非线性刚度项的抗弯弹簧,建立了拉杆转子的运动方程.利用谐波平衡法,同时引入预测校正算法和同伦算法,对拉杆转子的振动特性进行了计算.简化模型很好地重现工程实际中出现的"双稳态"振动特征.结果表明:由于结构上的不连续,各个接触界面的接触效应给整个转子结构引入了非线性因素是盘式拉杆转子"双稳态"特征出现的主要原因,通过调整系统参数的大小,可以避免"双稳态"区的出现.      

接触特性对非连续性转子热致振动的影响

针对燃气轮机转子的非连续性结构间存在的接触特性,根据微凸体理论引入接触刚度和接触热阻的等效模型,建立了某型燃气轮机非连续性转子的动力学模型,分析了接触参数对转子稳、瞬态动力学特性的影响,研究了螺栓松动引起的转子热变形及其对转子快速启动过程中振动特性的影响.结果表明:预紧力、接触面的表面粗糙度和螺栓个数对转子临界转速有一定的影响,螺栓松动导致转子在启动过程中瞬态热变形最大达到7μm,过1阶临界转速时引起的转子最大响应幅值增大约30μm.在非连续性转子系统的热致振动特性分析当中,不应忽视接触参数、接触刚度和接触热阻的影响.      

高速转子系统支承结构及力学特性设计方法

针对航空发动机高速转子系统支承结构及力学特性设计问题，开展支承结构约束特性（支点位置和支承刚度）对转子系统刚度及转子动力学特性的影响分析，建立转子支承结构约束特性与转子力学特性关联力学模型。通过对转子系统支承结构特征参数与刚度特性、振动特性等力学特性的关联性分析，定量描述了转子支承约束特征及轮盘惯性载荷对转子系统动力学特性的影响规律，在此基础上，提出了基于转子变形控制的支承约束特性与转子力学特性一体化设计方法。仿真计算结果表明:对于高速转子系统可以通过对支点位置及支承约束刚度的设计，调整转子弯曲变形和临界转速的分布特征，使其在通过或靠近弯曲振型临界转速的高转速工作状态下，具有足够的安全裕度。这种通过结构特征参数的变化，优化转子系统力学特性的方法，对航空发动机总体结构布局及动力学设计具有重要的工程参考价值。      

转子支承不对中故障建模与机理分析

针对工程实际所出现的不对中现象，建立了一个转子支承不对中故障的通用模型。将任意形式的联轴器在径向刚度和 角向刚度等效的前提下简化为1个等效模型，该模型与实际的总体径向刚度和角向刚度等效，依据实际联轴器刚度计算得到等效 模型参数；根据等效联轴器模型推导出转子系统由于连接对角向位置的不均匀、连接刚度的差异性和非线性等不确定性因素所产 生的不对中激励力，基于此建立含转子支承不对中故障的转子-支承耦合动力学模型。通过故障仿真分析得到转子支承不对中故 障激励下的振动特征，通过数值仿真验证了平行不对中和角度不对中故障的2倍频和4倍频现象，以及由于角度不对中产生的1 倍频轴向振动现象。利用含套齿联轴器的3支点转子故障模拟试验器进行了特征转速下多种不对中工况的振动响应试验，通过 比较仿真结果的精度达到85%以上，表明所提出的转子支承不对中故障通用模型的正确有效性。     

含支承松动故障的弹用涡扇发动机整机振动建模与机匣响应特征

针对某型弹用涡扇发动机结构特点,建立了一种转子-支承-机匣整机模型,对转子与机匣采用有限元梁模型,支承采用集总质量模型,引入支承松动故障模型,利用数值积分方法求解耦合系统的响应.基于机匣加速度信号,研究了对称刚度以及不对称刚度模型下松动故障的冲击特征分析.结果表明:①松动故障所引发的机匣加速度时域波形具有上下不对称性冲击特征以及频谱中出现倍频特征;②仿真计算结果与实际弹用涡扇发动机试车数据时域波形特征以及频谱特征非常一致,而且验证了不对称刚度松动故障模型更适合弹用涡扇发动机的松动故障建模.      

弹支局部断裂后主动弹支干摩擦阻尼器对转子的保护

分析了弹支笼条局部断裂后对转子的影响;实验研究了弹支笼条没有裂纹、有裂纹时,升、降速等情况下转子的振动特性,包括有、无主动弹支干摩擦阻尼器控制等.实验发现,主动弹支干摩擦阻尼器能减小由于弹支发生局部断裂而增加的振动;选择P控制方案,主动式弹支干摩擦阻尼器能够在转子弹支局部断裂后,实现应急停机,起到保护转子系统的作用.      

转子-滚动轴承系统不对中-碰摩耦合故障动力学分析

建立了转子-滚动轴承系统不对中-碰摩耦合故障动力学模型.在联轴器不对中力模型中,分析了不对中力产生的原因;在转子系统中,考虑了不对中、不平衡和转静碰摩耦合故障.运用数值积分方法获取了系统的非线性动力响应,对不对中力模型和滚动轴承模型进行了验证,分析了转子不对中和碰摩对系统响应的影响,并对提出的动力学模型进行了试验验证,二者符合较好.     

摩擦热效应对航空发动机高压转子系统碰摩响应的影响

以航空发动机高压转子为研究对象,采用有限元法建立了考虑摩擦热效应的高压转子热碰摩动力学模型。研究了高压转子的摩擦生热和摩擦热碰摩响应特性,并和未考虑摩擦热效应的碰摩响应进行了对比分析。结果表明,当考虑摩擦热效应时高压转子的最大碰摩力显著增大,碰摩频率也明显增加。高压转子呈现出明显的非线性碰摩特征,同时各结点的最大振幅均比忽略摩擦热效应的最大振幅有不同程度的增大。在实际工程问题中,不应当忽略碰摩热效应对碰摩响应的影响。     

双转子系统轴承座松动的动力学模型及故障特性

针对双转子系统轴承座松动故障,基于实验台双转子结构,考虑松动轴承座的3自由度平面刚体运动,引入碰撞恢复系数,建立双转子系统轴承座松动的动力学模型.基于Timoshenko梁单元,利用有限元和刚体运动学方法,采用Newmark-β算法进行数值仿真,对轴承座松动故障时内、外转子运动的动力学特性进行了研究.同时,进行了两种不同转速组合下双转子系统的松动实验,结果基本相同.将仿真结果与实验结果对比分析,结果表明:轴承座松动故障时,松动转子振动位移波形有“削波”现象,内、外转子振动位移频谱不但含有两转子基频的差频与和频,还包含支承松动转子的2倍频,3倍频等分量;低频段谱线较多,含有分频成分等;转子位移频谱中还含有较少的组合频率成分等.轴承座单侧松动时,松动转子的轴心轨迹呈拉伸的类椭圆状.     

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...     

摩擦型螺栓连接冲击载荷传递特性试验

为了研究接触、摩擦和预紧力等非线性因素对摩擦型螺栓连接动态载荷传递特性的影响，利用空气炮装置发射钛合金 圆柱弹、钢球和冰球，开展了高速冲击试验，获得了冲击响应曲线。试验结果表明：金属弹体的撞击不能忽略弹体本身结构变形带 来的影响，相较圆柱弹，球形弹冲击产生的冲击载荷峰值小，载荷传递率大；金属弹体撞击产生的冲击载荷波形杂乱且变化剧烈， 螺栓连接的摩擦滑移导致的能量耗散使载荷传递率小于1，冰球撞击的载荷波形变化平缓，结合面的摩擦等非线性因素对载荷传 递的影响较金属弹体冲击的情况小；加大拧紧力矩、增大结合面粗糙度会导致冲击刚度增大，冲击刚度基本不受外激励影响；减小 拧紧力矩、结合面越光滑、加大冰球冲击能量会使载荷传递率降低；载荷传递率和损耗因子呈线性关系，当损耗因子小于0.59时， 结合面处的摩擦耗散将使载荷传递率小于1。     

航空发动机双转子系统不对中研究进展

转子不对中是旋转机械最常见的故障之一。不对中常引起整机振动加剧、轴承磨损、转静子碰摩等故障，严重时将造成灾难性事故。航空发动机转子系统由于结构复杂、工作温差大、多支点弹性支承，更容易造成滚动轴承支承不对中、联轴器不对中、动态不对中等不对中故障。虽然航空发动机不对中问题严重，但这方面的研究却相对缺乏。本文针对航空发动机转子系统的结构特点，首先论述了滚动轴承不对中、联轴器不对中、航空发动机转子不对中3种不对中故障的研究现状；其次，讨论了不对中转子系统非线性动力学特性及不对中故障定量分析方面的研究成果。最后，对航空发动机双转子系统不对中研究的发展趋势进行了展望。     

发动机双转子-机匣耦合系统碰摩故障分析

根据航空发动机双转子结构已被大量采用,构成航空发动机双转子-机匣耦合系统,将航空发动机转子系统简化为双转子-机匣耦合动力学系统,其中轴承被简化为弹簧和阻尼.考虑了低压转子与高压转子通过中介轴承的耦合作用,导出了连续体双转子多盘-机匣系统的四阶偏微分运动方程.运用变步长四阶龙格库塔法模拟了双转子系统的碰摩故障响应,分析了转速和中介轴承刚度对系统碰摩故障响应的影响,发现了该双转子模型在发生碰摩故障时的一些非线性动力特性,为解决工程实际问题提供了可参考的理论依据,具有一定的工程意义.      

转子陀螺效应对翼吊发动机机翼弯扭颤振特性影响研究

针对现代翼吊式机翼发动机系统的特点,考虑发动机陀螺效应对系统结构动力学特性的影响,建立了基于梁振动理论的机翼弯扭颤振方程;分析了陀螺效应对系统颤振特性的影响规律。结果表明:不考虑发动机吊挂刚度影响时,陀螺效应不影响系统弯扭颤振发生机理,系统颤振速度和颤振频率随着发动机转速的提高而增大;转子陀螺效应对机翼弯扭颤振特性的影响可等效为系统阻尼,且该等效阻尼亦随着发动机转速的提高而增大。     

三支点柔性转子系统支承不同心激励特征及振动响应分析

针对航空发动机三支点柔性转子系统的支承不同心问题,充分考虑转子结构特征和载荷特征,首次将当量刚度引入多支点柔性转子不同心问题的动力学分析,定量描述转子系统各支承间不同心度带来的转子轴段刚度非线性,并提出了多跨度柔性转子系统支承不同心激励的数学描述,建立了不同心激励下多跨度柔性转子系统的力学模型。基于Lagrange能量法,给出了转子系统动力学方程的求解方法,研究得到了支承不同心转子系统的动力响应特征。结果表明:支承不同心不仅引起转子过渡轴的刚度非线性,产生2倍频激励,还会给转子系统带来附加不平衡激励;对于三支点柔性转子系统而言,2倍频分量同样是支承不同心下转子系统振动响应的典型特征之一。转子系统2倍频分量随不同心量的增加而迅速增加,而1倍频分量基本保持不变。同时转子振动响应呈现"缓增速降"趋势,且随非线性刚度、不平衡量的增大愈加明显。