基于非接触式测量的旋转叶片动应变重构方法

基于叶端定时非接触式测量和振动响应传递比的概念,开展高速旋转叶片动应变重构方法的研究。在频域内推导了叶片任意测点位移与任意测点动应变的传递比,给出了单模态共振下响应传递比关于位移和应变模态振型的解析表达式;建立旋转叶片的三维(3D)有限元模型,开展考虑旋转预应力效应的叶片模态分析,提取位移和应变模态振型,获得任意转速下叶端位移与叶根关键点动应变的传递比。开展高速旋转叶片叶端定时非接触式测量实验,采用周向傅里叶算法对叶端定时信号进行处理,获得叶片在不同转速单模态共振下的叶端位移,结合响应传递比,重构5个旋转叶片的关键点动应变。结果表明:旋转叶片在9000r/min和13000r/min转速下发生1阶共振时,与应变片实测结果相比,叶根处应力最大点、次大点和边缘点3个关键点的动应变平均重构误差均小于15%,验证了旋转叶片动应变重构方法的有效性。     

基于叶端定时的转子叶片动应变重构不确定性量化

基于叶片非接触式动应变重构理论,开展动应变重构不确定性量化方法研究。基于方差合成定理建立重构叶片动应变不确定性量化分析模型;以模拟转子叶片为研究对象,开展旋转叶片叶端定时试验,利用周向傅里叶算法获取不同叶端定时传感器布局下的测点振幅,通过最大熵方法拟合振幅分布概率密度函数,确定叶端定时测振的不确定性参数;结合Kriging代理模型和试验共振频率数据对叶片有限元模型进行修正,获取关键测点位移-应变转换因子,并获取考虑共振转速以及测点位置不确定性的转换因子不确定性参数;获取重构动应变的均值、标准不确定度和包含区间,与应变片测量数据作对比。结果表明,除5号叶片A测点外,测量动应变均位于重构动应变的95%置信度下的包含区间内,且所有叶片的应变片测点动应变重构误差不超过15%。     

带中介轴承的双转子系统振动耦合作用评估

为了评估中介轴承对双转子系统的振动耦合作用,从临界转速位置振型变化、临界转速变化、模态振型与稳态不平衡响应的应变能分布变化、中介轴承受力变化等多角度,阐释双转子耦合振动的表现形式和关联关系,提出了相应的评价指标或评估方法,并以典型燃气涡轮发动机双转子系统为对象,进行了分析评估。结果表明,单转子的模态振型可能在双转子模态振型中表现为3种形式,一一对应出现、重复出现或耦合出现,对应的临界转速及应变能分布也会随之产生相应的变化;中介轴承受力在临界转速位置出现峰值,而应变能分布变化最大的转速位置与系统临界转速位置不一致,同时还受不平衡激励位置影响;各单元应变能占比变化量随转速变化曲线可详细分析特定不平衡激励下系统应变能分布变化情况。所提方法可为双转子-中介轴承系统的设计、故障诊断提供参考。     

转子-滚动轴承试验器有限元建模及实验验证

针对自行研制的转子-滚动轴承试验器,在Pro/E中建立了单盘转子的三维实体模型。通过Pro/E与ANSYS的无缝连接技术,在ANSYS中得到单盘转子的三维有限元模型,采用Sol-id185实体单元进行网格划分并采用Subspace法得到了前4阶固有频率和振型。利用锤击法对转子试验器进行了实验模态分析,并与ANSYS模态分析结果进行了对比。结果表明,基于ANSYS的计算模态和实验模态达到了很好的一致性。同时,利用ANSYS分析了陀螺力矩对临界转速的影响。最后,利用修改后的有限元模型仿真计算了不平衡动力响应,与相同条件下的实验结果比较表明,所建立的有限元模型能够准确模拟实际转子-滚动轴承试验器的动力学行为。     

基于接触式高温应变测试试验的涡轮叶片强度分析

基于涡轮叶片实际工况,建立了热-流-固耦合有限元仿真模型,得到了涡轮叶片的温度场、压力场、应力场与应变场。开展了涡轮叶片强度测试试验,试验中根据温度场仿真结果,通过感应加热装置对叶片加热;根据叶片转速计算等效离心载荷,通过液压拉伸试验机对叶片施加等效载荷。基于接触式高温应变测试方法开展了叶片静态应变测量,并通过测量结果与仿真结果的对比,验证了测试方法在涡轮叶片静态高温应变测量中的可行性。     

温致材料属性变化对发动机双转子系统动力特性的影响

为探究不同工况下温度场变化进而导致材料属性变化对双转子系统动力特性的影响，提出将不同工况温度、转速变化与发动机双转子系统动力特性联合分析方法。通过发动机性能方程、相似性原理及稳态热分析方法拟合得到稳定工况双转子温度场，将温度场与转子结构有限元模型联合，推导了双转子系统有限元刚度矩阵受温度场影响的动力学方程。建立了典型发动机双转子支承系统热-固联合分析有限元模型，分析了双转子系统在不同工况温度场下固有频率、模态振型、稳态不平衡响应及应变能分布的变化情况。结果表明：随着工况升高，典型发动机双转子系统固有频率发生不同程度的下降，临界转速随之下降，最大下降幅度接近10%；在涡轮位置不平衡量作用下，受临界转速变化等影响，涡轮支承位置最大工作转速附近平均不平衡响应幅值较常温下增大近3倍，温致材料属性变化对双转子动力特性造成较大的影响。     

某型发动机低压涡轮转子叶片动测技术及应用研究

通过对某型发动机低压涡轮转子叶片在整机上进行动频、动应力测量(以下简称动测)的应用实例,介绍了一种较为成熟的测量方法.该方法根据叶片静频、振型、应力分布测量结果及叶片应力分布计算结果,来确定动测叶片的应变片粘贴位置.通过合理的发动机结构改装,实现了高温涡轮转子叶片台架振动、温度实测工作.试验结果表明,该技术具有实际应用价值,可以为同类测量提供参考.     

突加不平衡下发动机振动响应分析

为了研究发动机的突加不平衡故障,建立了航空发动机低压转子模型,完成了转子实验器的模态校核。在此基础上对突加不平衡下实验器的转子件响应进行了理论分析与实验对比。进一步建立了转子-支承-机匣分析模型,完成了响应的分析与实验结果对比。结果表明:建立的转子-支承-机匣模型考虑了发动机实际运转过程中的角加速度项和挤压油膜阻尼器瞬态项,分析结果与实验结果相符,突加不平衡位置处振动位移响应的分析结果与实测结果之间的相对误差为2.1%。在校核转子件响应后,将转子件载荷作为支承-机匣模型的载荷输入,考虑发动机结构特征,建立支承-机匣模型进行响应分析,分析结果与实验结果基本一致,对于靠近突加不平衡位置的振动速度响应,其分析结果与实测结果之间的相对误差不超过4.7%。分析结果能够体现突加不平衡后转子响应的冲击特征和转子-支承-机匣响应层层减弱的过程,所建立的计算方法具有较好的推广性。      

翼吊发动机安装结构等效建模及其隔振设计

为了研究翼吊发动机安装结构隔振特性并优化其隔振器设计,建立了发动机安装节-吊架-机翼结构理论分析及有限元模型.利用有限元方法进行了模态验证并分析了安装结构的隔振特性.进行发动机3种典型工况下的结构动响应分析确定了振动传递的主路径.基于振动传递路径法研究了隔振器参数和安装位置对安装系统隔振性能的影响规律.结果表明:振动载荷经安装结构后低压转子转频和高压转子转频峰值响应分别降低22.03%和14.65%.低压转子转频振动传递主路径为发动机-前安装节-吊架-机翼,高压转子转频为发动机-后安装节-上连杆-机翼.通过合理设置隔振器位置可以使安装系统隔振率达到50.41%,隔振器的频率比为5和阻尼比为0.25时安装系统隔振率可达70.67%.为了优化整个发动机安装系统的隔振效果,设计隔振器时必须选取合适的安装位置和参数.      

某级压气机叶盘系统失谐振动关键因素研究

基于某级压气机叶片盘扇区，建立考虑非线性榫接触叶片盘有限元模型，应用提出的自由界面子结构-固定界面预应力模态综合超单元近似分析方法，并基于提出的围绕实验与有限元分析拟合出线性表达式的失谐参数识别方法，探究失谐关键因素对于叶盘系统振动的影响.结果表明，非线性榫接触不可忽略，提出的超单元法精度达到3.07%，满足要求.同时也表明，叶片平均频率、叶盘刚度比与频率转向对于失谐叶盘系统振动幅值、共振频率及应变能等参数均有一定影响.      

涡轮叶片模态实测阻尼比的有限元应用

为了更加精确地通过有限元来模拟涡轮叶片的谐响应特性,剖析了有限元分析中阻尼矩阵的构建方法,并且选定了适用于真实涡轮叶片设计的阻尼矩阵模型.在进行涡轮叶片有限元谐响应计算时,以模态测试得的阻尼比为基本参数,建立构建阻尼矩阵的方法,该方法能处理具有单独共振频率或具有临近共振频率的振动问题.通过模拟涡轮叶片的响应试验,测得了试验系统的阻尼比及模拟涡轮叶片的位移响应.根据测得的系统阻尼比,运用构建阻尼矩阵的方法,对具有单独共振频率特征的模拟涡轮叶片进行了谐响应计算,结果显示模拟涡轮叶片的位移响应与试验结果基本一致.运用该方法进行涡轮叶片的谐响应分析可比较精确地得到其谐响应特性.      

基于变厚度壳单元的旋转叶片固有特性分析

针对1个扭型、变截面旋转叶片,基于ANSYS有限元软件,采用变厚度壳单元来模拟真实叶片的方法建模,并与实体单元模型对静频和固有振型进行对比,验证了该建模方法的准确性;在此基础上分析了科氏力、旋转软化、离心刚化以及三者耦合对叶片动频特性的影响规律;基于壳单元动频数据,对现在常用的动频系数经验公式的适用性进行了简单评价。研究结果表明：2种模型的动频规律一致,对系统影响由大到小依次为离心刚化、旋转软化和科氏力;叶片A0振型的动频系数吻合较好,A1振型的反之     

Analysis of blade vibration response induced by rotating stall in axial compressor

An experimental and numerical study was conducted to investigate the forced response of blade vibration induced by rotating stall in a low speed axial compressor. Measurements have been made of the transient stalling process in a low speed axial compressor stage. The CFD study was performed using solution of 3-dimensional Navier-Stokes equations, coupled with structure finite element models for the blades to identify modal shapes and structural deformations simultaneously. Interactions between fluid and structure were managed in a coupled manner, based on the interface information exchange until convergence in each time step. Based on the rotating stall measurement data obtained from a low speed axial compressor, the blade aeroelastic response induced by the rotating stall flow field was analyzed to study the vibration characteristics and the correlation between the phenomena. With this approach,good agreement between the numerical results and the experimental data was observed. The flow phenomena were well captured, and the results indicate that the rotating field stall plays a significant role in the blade vibration and stress affected by the flow excitation.      

旋转叶片频率转向与振型转换特性

通过对典型旋转叶片的有限元分析, 讨论了旋转叶片动频特性的“频率转向”和“振型转换”问题, 尤其是关于多模态耦合的复杂“频率转向”和“振型转换”的现象和特点.首先讨论了旋转叶片动频特性中的两阶模态间“频率转向”和“振型转换”问题, 说明了这种耦合振动问题的机理, 然后研究了多阶模态相互耦合所导致的复杂“频率转向”和“振型转换”现象, 对其基本特点进行了详细的分析和说明.      

含有失谐特征的叶片-转盘-转轴转子系统动态特性

采用有限元法建立了叶片、叶片-转盘及叶片-转盘-转轴动力学模型,在结构谐调和失谐情况下,分析了不同类别的模型动力学特性,给出了不同模型的振型分布图和频率分布图.通过对比研究发现:对于叶片的特性计算考虑转盘和考虑转轴有着非常大的区别,一些模型出现严重的频率分裂和振型耦合现象.另外,由于失谐会造成叶片-转盘及叶片-转盘-转轴模型的不同类型的叶片耦合振动,也出现了振动频率的分离和集中现象,甚至导致系统模态的丢失和局部振动情况,结构失谐最终导致模态频率更为连续,这为叶片转子系统的设计带来一定困难.     

航空发动机风扇叶片冰雹撞击仿真

为预估航空发动机风扇转子叶片受到冰雹撞击后的损伤情况,基于PAM-CRASH软件进行冰雹撞击风扇转子叶片仿真。采用SPH方法和带失效应变的弹塑性材料模型建立冰雹数值模型,模拟冰雹撞击铝合金平板过程,仿真结果与试验数据吻合较好。针对冰雹撞击旋转状态风扇转子叶片试验,建立3维风扇转子有限元模型,使用带失效模型的J-C本构模型定义叶片材料性能,采用该冰雹模型对试验过程进行仿真,获得的冰雹撞击过程和叶片损伤与试验结果基本相同,叶片凹陷深度误差小于10%。仿真与试验结果对比表明:风扇叶片冰雹撞击仿真方法能够预估叶片被冰雹撞击后的损伤情况,可用于叶片抗冰雹撞击设计与评估。     

旋转离心应力对叶片鸟撞响应的影响

为避免航空发动机叶片在高速旋转工作状态时经常会发生外物损伤造成的严重事故,基于冲击动力学理论,建立了离心预应力作用下叶片外物撞击的非线性动力学模型,利用碰撞动力分析软件PAM-CRASH及其丰富的材料本构模型数据库,建立了旋转叶片受鸟体撞击的有限元分析模型,并在其环境下通过隐式静力求解来进行旋转状态下叶片的预应力分析,对不同离心栽荷下叶片鸟撞击进行数值模拟比较。结果表明,离心应力对叶片的瞬态响应及损伤特征有较大的影响,并获得了不同离心预载作用下外物损伤的一些规律。     

喘振状态下叶片振动响应的试验研究

在某单级轴流压气机试验台上,进行了旋转失速和喘振状态下叶片振动响应的试验研究,利用电阻应变片、动态压力传感器、滑环式引电器和磁带记录仪等,录取叶片振动应变和动叶出口压力信号,然后回放磁带,做信号处理,在对时域和频域数据分析的基础上,论述了旋转失速和喘振状态下叶片振动响应的特征。