接触摩擦力对叶片减振能力的影响

在频域内利用谐波平衡法,分别通过理论分析和有限元分析方法对某涡轮叶片缘板-阻尼结构进行了减振效果分析,并就接触摩擦力对叶片减振能力的影响进行了进一步探索.研究发现带阻尼装置叶片由于阻尼块附加质量作用,对叶片有明显的避振作用,并也起到了一定的减振作用,但对叶片振动响应耗能影响最大的是叶片缘板-阻尼装置接触面的非线性摩擦力,且摩擦系数较小时叶片减振效果对其变化更敏感一些.另外从分析方法探索中发现,含接触等非线性问题的结构,忽略接触特性进行振动响应分析具有较大的偏差性.这些研究结论和研究方法可为阻尼结构的设计提供一定的参考.     

一种叶片缘板阻尼器二维耦合振动的分析方法

采用带滑动触点的并联弹簧来模拟二维平面运动时叶片-阻尼器间的干摩擦接触,建立一种二维局部滑动摩擦接触模型.在叶片缘板处附加两个相互垂直的弹簧阻尼单元来模拟叶片振动时的二维干摩擦力建立B-G(blade-ground)型叶片-缘板阻尼器有限元模型.结合两个模型提出二维耦合振动时叶片缘板阻尼器减振特性的分析方法.算例分析表明在工作频率附近,存在一个正压力的范围使得二维耦合振动时叶片稳态幅值减振效果最好,频率对稳态幅值减振特性无明显影响.分析方法适用于各种复杂平面摩擦接触时叶片缘板阻尼器耦合振动的分析.      

考虑盘片耦合的缘板阻尼器减振性能分析方法

叶盘结构趋于轻薄,盘片耦合振动不能忽略。本文旨在揭示缘板阻尼器对叶盘不同节径模态减振性能的影响规律。建立了考虑缘板转动的叶盘-缘板阻尼器集中参数模型,采用结合解析雅可比矩阵的多阶谐波平衡法求解稳态响应,利用非线性周期减缩技术,在不损失精度的情况下使计算效率提高至少3倍以上。研究结果表明,针对叶片主导的一阶弯曲模态,缘板阻尼器总体上对节径数越高的模态阻尼效果越好,但在盘片耦合区阻尼效果显著下降,约为25%至50%;此外,忽略缘板的转动效应可能导致对阻尼器减振效果高估约70%至100%。     

转子叶片缘板阻尼器设计分析

为了有效解决工程中转子叶片缘板阻尼器的设计分析问题,利用谐波平衡法代替高成本的非线性分析,建立阻尼器所能提供的阻尼比表达式,其中使用带圆角的平板模型来刻画缘板阻尼器的特征,获得接触面切向接触刚度,且其只随阻尼器轴向长度与接触区域宽度一半的比值以及材料参数的变化而改变。通过对叶片模型进行有限元分析,分析了不同设计参数对阻尼比特性曲线的影响,为阻尼器的设计和优化提供了理论依据。以本文的模型为例,在50MPa的许用振动应力下,当阻尼器质量约为6g时,该阻尼器所能提供的阻尼比最大,约为3.1%。该方法为缘板阻尼器设计提供了一种新的思路。     

一种基于模态的叶片缘板阻尼器减振设计方法

为了有效解决航空发动机中叶片缘板阻尼器的减振设计问题,在无需开展复杂耗时的非线性响应分析的情况下,提出了一种基于模态的叶片缘板阻尼器减振设计方法。采用半圆形缘板阻尼器的结构形式,根据归一化等效理论,将带有缘板阻尼器的转子叶片简化为以集总参数表示的单自由度模型。引入局部微滑动模型及刚度比例因子,给出了不同干摩擦模型的非线性摩擦力求解方程。针对给定的转子叶片许用振动应力,计算缘板阻尼器的阻尼比特性曲线,通过对比能量法与谐波平衡法的计算结果,验证了所提出方法的可行性及准确性,并获得了阻尼比随相关设计参数的变化规律。对于文中示例,给定许用振动应力幅值为50MPa,最佳缘板阻尼器质量约为7.34g,其峰值阻尼比约为0.33%。     

含接触界面的叶盘结构强迫振动响应快速预测方法

建立了含接触界面的叶盘有限元结构强迫振动响应的快速预测方法。以含燕尾型榫连接的叶盘结构有限元(FE)模型为例,通过模态综合法对线性结构模型进行减缩,将模型计算规模降低至原模型的1/25以下,采用谐波平衡法对进行稳态响应预测。在此过程中,将作者前期研究工作中提出的雅可比矩阵加速技术进行拓展改进,形成了适用于含接触界面的大规模有限元模型的快速雅可比矩阵快速计算方法,将基于谐波平衡法的响应预测速率提高400倍以上。结果表明:所建立的含接触界面的叶盘结构强迫振动响应快速预测方法准确性良好,在计算效率方面拥有巨大的优势,可为后续开展各种类型干摩擦阻尼器的设计和优化工作提供强有力的工具。      

薄壁结构干摩擦阻尼减振设计分析

加装干摩擦阻尼结构是航空发动机薄壁结构有效的减振手段。为提供工程可用高效的减振设计工具,建立了一种薄壁 结构干摩擦阻尼减振设计的分析方法及流程。给定薄壁结构的振动应力,针对不同的减振结构采用恰当的干摩擦接触模型,基于 能量耗散,计算干摩擦减振结构接触面所能提供的等效阻尼比,获得在所关注模态下减振结构所能提供的等效阻尼比随主结构考 核点振动应力变化的阻尼特性曲线。减振设计阶段目标为共振发生时,在结构许用振动应力下,减振结构能提供最优的阻尼比。 对4种常用的干摩擦阻尼结构进行了减振设计分析,结果表明：平板式缘板阻尼器优化质量为1.2 g、涡轮叶片锯齿冠优化预扭角 为0.5°（取许用振动应力50 MPa）时可得最佳阻尼效果;矩形截面阻尼环径向厚度和裂式阻尼套筒轴向长度在设计范围内取值越 大,阻尼效果越好。     

考虑参数关联的缘板阻尼器减振性能分析

建立了缘板阻尼器（UPDs）各参数间的关联关系,揭示了减振性能随主要参数的变化规律,形成参数联动设计准则。基于双叶片-缘板阻尼器集中参数模型,采用多阶谐波平衡法（MHBM）计算稳态响应以衡量阻尼器性能;推导了解析雅可比矩阵,使收敛性和计算效率显著提高。结果表明:考虑参数的关联性是必要的;选取较大材料密度与特定底角的对称楔形缘板阻尼器,可以实现4.57%的最优阻尼比;当激振力存在相位差时,采用非对称的楔形阻尼结构能进一步提升阻尼效果。      

缘板阻尼结构减振特性的影响因素分析

基于简化的叶片-缘板阻尼结构模型，开展缘板阻尼结构干摩擦阻尼减振特性的计算分析。阐述了谐波平衡法预测叶片响应的基本原理，并提出了一种基于离散傅里叶变换的雅克比矩阵快速计算方法，结果表明:该方法能够实现谐波平衡法的加速，并使叶片响应计算效率提高8倍以上。在此基础上，重点探究了离心力、缘板阻尼块质量、激振力、缘板倾斜角及缘板阻尼块转动等因素对叶片响应特性的影响，并总结上述关键设计参数对叶片-缘板阻尼结构减振特性的影响规律。      

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.      

高速旋转状态下高压涡轮叶盘振动试验研究

在高速旋转状态下,开展对高压涡轮转子叶片的振动特性和缘板阻尼装置减振效果的试验研究,有利于后期的设计迭代,获得真实的叶片振动情况。以高压涡轮转子模拟件为对象,采用雾化油滴非接触式激励方式模拟涡轮叶片周期性气动激励,建立高速旋转状态下高压涡轮转子叶片振动特性试验系统,并进行介于静止状态夹具固定式测试和整机直接测试之间的组件级试验,在高速旋转状态下实现叶片非接触式高频激振,获取叶片的振动特性和缘板阻尼装置对转子叶片的减振效果。结果表明:在常温 10000~19000r / min 运行转速下,缘板阻尼装置对转子叶片减振约 40% ,阻尼质量较大的叶片频率较高。     

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.      

旋转叶片干摩擦阻尼结构模型及分析方法研究综述

旋转叶片是航空发动机的关键部件,其振动特性及振动抑制技术对发动机的性能和结构完整性、工作可靠性产生重要的影响,在各类叶片振动抑制方法中,干摩擦阻尼结构应用最为广泛。首先,详细地阐述了旋转叶片干摩擦阻尼器动力学建模及其发展现状;然后,介绍了旋转叶片干摩擦阻尼结构减振特性分析方法及其发展现状,最后,提出了基于不同结构形式的叶片-地(B-G)型和叶片-叶片(B-B)型、基于接触面相互作用的干摩擦阻尼数学模型、基于接触点描述的干摩擦阻尼接触模型以及根据相对运动关系形成的干摩擦接触运动模型,以期为旋转叶片减振结构的建模设计、提高可靠性和效率、减振延寿等方面提供理论和技术支持。     

涡轮缘板阻尼块摩擦接触特性研究

为了研究航空发动机涡轮缘板阻尼块的摩擦接触特性,减小涡轮叶片的振动,采用带圆角的平板接触理论模型进行数值模拟,推导接触面正压力及切向力的分布,研究接触模型的几何参数对迟滞曲线、切向刚度和能量耗散的影响规律。结果表明:接触面率为0时,存在最大能耗曲线和最大能耗点,并且随着接触面率的增大,迟滞曲线所围面积逐渐变小,每周期能量耗散逐渐减小;其他参数不变时,接触刚度随法向力的增大呈非线性增大。     

叶片缘板阻尼器设计分析中的一些问题

对叶片缘板阻尼器设计分析方法进行了讨论,并对影响阻尼器尼效果的有关参数进行了分析,指出了在设计中如何对影响阻尼器阻尼效果的参数进行分析确定,并提出了缘板阻尼器设计分析中应注意的问题,最后给出了一个实际应用实例的分析结果。     

带冠涡轮叶片干摩擦阻尼减振试验研究

为验证某型真实带冠涡轮叶片叶冠干摩擦阻尼减振效果,本文建立了可实现正压力连续调节的非旋转状态涡轮叶片试验系统,对不同接触紧度、不同接触角度的真实带冠涡轮叶片的振动响应进行了测试。通过试验分析了叶冠接触面紧度、接触角度等重要参数对带冠叶片振动特性和减振效果的影响规律,结果表明：带冠涡轮叶片出现了明显的非线性现象,同时存在一个最优的接触紧度使得该带冠涡轮叶片的减振效果最佳。接触角度的选取应综合考虑叶冠振动能量的消耗能力和带冠涡轮叶片共振频率的稳定性。     

转子叶片气弹稳定性与强迫响应分析

针对由叶轮机械转子叶片流致振动引起的叶片高循环疲劳失效的突出问题,采用数值模拟方法对叶片流致振动特性进 行预测分析。常见的流致振动问题包括气弹稳定性和强迫响应,分别以压气机和高压涡轮转子叶片为例给出了气弹稳定性和强 迫振动响应的分析方法及其流程。对于压气机叶片,采用能量法和特征值法进行了气弹稳定性计算。结果表明：气弹稳定性结果 相互吻合,在高阶模态下的气动阻尼比在低阶模态下的更小,根据振型特征确定危险点位于叶尖近前缘和近尾缘部位,在该部位 可能导致叶片掉角;对于高压涡轮叶片,分析了其强迫振动响应特征。结果表明：叶片非定常气动激励主要来源于上游导叶,在设 计状态下其频率距离转子叶片第5阶模态频率较近,并对危险模态阶次的共振应力进行分析,在0.14%阻尼下振动应力最大可达 134 MPa。     

带缘板摩擦阻尼片高压涡轮叶片的减振研究

利用干摩擦阻尼对构件进行减振是1种简单又有效的方法,广泛应用于航空发动机叶片上,可以有效限制叶片的振动应力水平。针对带缘板阻尼片的高压涡轮叶片,基于滞后弹簧模型,以1次谐波平衡法与动柔度法结合为基本算法,提出了1种由气动力计算激振力的方法,并对其影响参数进行研究。对该叶片进行了稳态应力响应的计算,得到使叶片振动应力最小的最优正压力,并对阻尼片质量进行了优化分析。结果表明:现有的阻尼片质量在比较合理的范围内,可以起到较好的减振效果,为提高减振效果可适当增加阻尼片质量。     

基于接触刚度分布特性的叶片振动响应分析

根据接触刚度在锯齿形叶冠结合面上非均匀分布的特性,提出一种基于定义和有限元计算相结合的接触刚度计算方法。在此基础上,将微-宏滑动摩擦模型作为叶冠结合面处的摩擦模型,推导微滑动和宏滑动状态下摩擦力表达式。利用谐波平衡法将非线性摩擦力转化为等效刚度和等效阻尼进行振动特性分析。针对叶冠结合面相对位移幅值动态变化的特点,提出了一种迭代求解的振动响应分析方法。与文献提供的带摩擦阻尼结构悬臂梁振动响应实验数据相比,共振峰附近的振幅误差为1.99 mm,相对误差为3.9%。振幅的最大误差为5.53 mm,出现在远离共振峰的位置,验证了响应分析方法的可行性。将该方法应用于带冠叶片上,结果表明当激振力频率为812.3 Hz时,振幅为0.56 mm。     

叶片缘板阻尼器切向接触刚度及其微滑动摩擦建模

为有效解决叶片缘板阻尼器的微滑动摩擦建模问题,针对带圆角的平板接触模型,推导得到了阻尼器切向接触刚度的解析表达式,包括初始切向接触刚度和微滑动阶段平均切向接触刚度,并将其与平面应变有限元模型的计算结果进行对比。结果表明:初始切向接触刚度的值仅与接触体的材料属性、阻尼器轴向长度与接触区半宽度的比值有关,平均切向接触刚度还与接触面的压力分布有关;利用有限元法计算得到的切向接触刚度值与理论解之间的计算误差与文献中有限元解的误差相比减小约7.1%。基于切向接触刚度的理论分析结果,发展了一种微滑动摩擦模型,给出了模型中实验系数λ的解析表达式,对于本文研究的带圆角平板接触模型,λ的值通常在1.00~1.15。将所发展的微滑动摩擦模型用于B-G型缘板阻尼器减振特性分析中,并与宏滑动摩擦模型的计算结果进行了对比,结果表明,所发展的微滑动摩擦模型可以用来计算阻尼器接触面发生微滑动时所能提供的阻尼比。