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。      

支承刚度和轴向位置对某型对转发动机低压转子临界转速的影响

为提供某型对转发动机低压转子临界转速的设计和调整的理论依据,开展了该转子的临界转速随支承刚度和轴向位置变化规律的研究.以该转子为研究对象,采用有限元法建立了转子动力特性的计算模型,基于不同的支承刚度和轴向位置,运用转子动力学分析软件SAMCEF/ROTOR对低压转子的前4阶临界转速进行了系统的计算分析,揭示了低压转子前4阶临界转速随支承刚度和轴向位置的变化规律.结果表明:支承刚度对低压转子的临界转速有显著影响,而支承轴向位置对临界转速的影响较小.     

叶片脱落诱发的转子- 盘片系统不平衡响应分析

为了厘清叶片脱落诱发的失衡载荷及瞬时冲击对航空发动机转子系统动特性的影响,以转子- 盘片系统为研究对象, 考虑弹性支承的影响,基于ANSYS/LS-DYNA 软件建立系统的有限元模型,模拟叶片脱落对转子- 盘片系统振动响应的影响,分析转 子转速、不平衡量、盘偏置量及支承刚度对系统不平衡振动响应的影响规律。结果表明：轴承支承总反力的变化趋势与系统不平衡 量的变化趋势相同;盘片结构越靠近轴承支承端,轴承支承总反力越小;刚性支承（≥107 N/m）下轴承支承总反力较柔性支承（<107 N/m）下的偏大。该研究可为转子- 盘片系统的结构设计提供参考。     

高速柔性转子临界转速随支承刚度和轮盘质量的变化规律

以小型涡扇发动机模拟低压转子为研究对象,采用梁单元建立其动力特性的有限元计算模型,并在不同的支承刚度及轮盘质量下,运用转子动力学分析软件SAMCEF/ROTOR,对模拟低压转子的前三阶临界转速进行了系统计算及分析,揭示出了模拟低压转子前三阶临界转速随各支承刚度、各轮盘质量的变化规律,为模拟低压转子的临界转速设计和调整提供了理论依据,可为后续全尺寸模拟低压转子的动力特性试验提供指导。     

齿轮传动风扇发动机转子系统结构与动力学分析

考虑齿轮传动风扇发动机(GTF)风扇转子与低压转子的耦合关系,提出了转子系统简化整体模型,针对该模型给出了GTF发动机转子系统的临界转速计算方法.揭示了整体模型与单转子模型临界转速计算结果的差异,以及典型力学特征参数对GTF转子系统临界转速与模态特征的影响.计算结果表明:相比考虑耦合关系的整体模型,将风扇转子与低压转子分开计算会导致转子系统固有频率值偏移及部分临界转速丢失;齿轮箱安装支承刚度增大会使得系统临界转速上升,保持安装刚度大小在106N/m量级以下可使系统动力特性较优;传扭轴段刚度与齿轮径向啮合刚度对系统动力特性影响较小.      

小型涡扇发动机低压转子临界转速随支承刚度和悬臂长度的变化规律研究

针对支承刚度和悬臂长度对小型涡扇发动机低压转子前三阶临界转速的影响规律开展研究,为低压转子的临界转速设计和调整提供理论依据。建立了低压转子的有限元分析模型,运用转子动力学分析软件SAMCEF/RO-TOR,计算了低压转子在基准支承刚度下的前三阶临界转速和振型。改变支承刚度和悬臂长度,对低压转子前三阶临界转速进行了系统的计算和分析,揭示了低压转子前三阶临界转速随支承刚度和悬臂长度的变化规律。     

多支点柔性转子系统临界转速稳健设计方法

基于响应面法和容差模型提出了定量考虑参数变差影响的转子系统临界转速稳健设计方法。该方法利用响应面模型获得多参数、多目标之间的函数关系,并以多阶临界转速分布为约束条件、以临界转速对支承刚度变差敏感度最低为设计目标。对小涵道比涡扇发动机低压转子系统临界转速稳健设计结果表明:在考虑各支点支承刚度变差情况下,采用多参数、多目标稳健设计方法,可保证多支点柔性转子系统的临界转速特性在满足设计要求的同时,转子系统临界转速对支承刚度变差的敏感度最低,验证了该方法的有效性。      

航空发动机高压转子的结构动力学设计方法

建立了航空发动机高压转子的动力学模型,该模型包含所有的结构动力学设计参数,揭示了设计参数与转子振动特性间的关系,提出了转子临界转速界值的估计方法,并予以理论证明.建立了分别基于两阶临界响应的支承刚度设计准则.发现了转子参数临界转速现象,在参数临界转速处,阻尼器将失去阻尼作用,振动趋于无穷大;给出了参数临界转速出现的条件,上述的结论对于航空发动机高压转子的设计具有重要的指导意义.     

风扇叶片丢失激励下转子-支承系统结构安全性设计策略

以高涵道比涡扇发动机风扇叶片丢失载荷激励下的转子-支承系统为研究对象,提出了一套结构安全性设计策略,即通过支承方案与载荷分配、变刚度支承结构和支承结构变形控制,结合转子结构动力学特性设计,实现转子结构安全性设计.研究表明:风扇后支点采用变刚度支承结构设计,能够在转子减速停车过程中减小风扇局部振动临界转速与相应振幅.通过设计滚珠轴承支承锥壳锥角,能够使支承具有较高的轴向承载能力并减小转轴变形对滚珠轴承的影响.轴承座底部与转轴间采用鼓形配合面连接设计,能够在大弯矩作用下通过配合面相互滑移避免支承随转轴变形,保证轴承安全.研究结果可为恶劣载荷作用下高涵道比涡扇发动机结构安全性设计提供依据.      

考虑支承约束的航空发动机复杂转子振动特性

针对航空发动机转子复杂的结构特征及支承动力学设计问题,基于有限元(FE)、分段线性拟合和自由度(DOF)降维法,采用主子单元对复杂转子进行合理地等效,构建了航空发动机等复杂转子-支承系统的动力学模型,并对模型的有效性进行了试验验证。从转子固有特性、应变能分布、支承传递力和振动响应等方面对支承刚度进行了设计,并开展了弹性支承并联挤压油膜阻尼器(SFD)非线性减振效率分析。结果表明：动力学模型能较好地反映复杂转子的动力学特性,支承刚度合适取值范围为1.5×10⁴～2.8×10⁴ N/mm,弹性支承并联SFD设计减振和降支承力效果显著,满足临界转速设计准则、应变能约束条件和变形要求,该研究为航空发动机支承刚度和SFD并联设计提供了定量的参考依据,具有重要的工程应用价值。     

加强盘式转子支承设计技术

针对航空发动机高速转子支承结构设计难点,以某加强盘式结构的高压压气机试验件为研究对象,基于该试验件具有转子跨距长、质量大、轴向力大的设计特点,分析转子支承方案设计要求和转子动力特性影响因素,总结了转子支承设计技术特点和需求条件;开展支承方案的确立及筛选设计,采用通过理论和数值计算分析优选出的1-1-1型支承方案,综合优化支点跨距、转子质量、支承刚度和支点阻尼4个设计变量,满足全转速范围内的性能录取需求。结果表明:优化方案在工作转速范围内存在2阶临界转速并均处于性能录取转速以下,应变能分别为9.3%和16%。试验件最终顺利完成了全部转速下的性能参数录取,在试验过程中运行平稳,整体振动水平较低,轴向力始终处于轴承承载范围,验证了转子支承方案的合理性。     

基于静动态特性的偏置动量轮轮体结构优化

对最高转速7000 r/min的3N·m·s偏置动量轮轮体综合其静动态特性建立结构优化数学模型,进行优化设计.依据人工材料变密度法,对轮体进行三维静动态拓扑优化,得到趋于4根工字梁辐条结构的概念模型;并提出工字梁与矩形辐条两种模型,采用ANSYS零阶方法分别进行尺寸优化,所得体积均为1.51×10-4m3,但工字梁辐条轮体一阶弹性频率(1468.0 Hz)高于矩形辐条轮体(1413.5 Hz),结构更优,进而验证了拓扑优化结果的合理性.研究方法对减小设计质量、降低轮体振动水平等具有借鉴作用.      

柔性转子动力特性研究

以某涡扇发动机低压转子为对象,采用有限元方法分析了支承刚度、支承轴向位置、陀螺力矩对柔性转子动力特性的影响,得出了有意义的结论,可为柔性转子结构动力特性的设计提供参考     

转子动力学优化设计

优化设计可以使转子支承系统具有先天优良的转子动力学特性, 优化支承的刚度与阻尼系数是使转子支承系统获得优良动力学特性的有效途径。本文采用传递矩阵-拟模态综合法分析转子支承系统的动力特性-临界转速、不平衡响应以及对支承动力参数灵敏度分析, 进而对支承动力参数作优化设计。本文所提出的方法已经过算例、模型试验及工程应用的证实。      

静压气体轴承气膜力及其与转子耦合动力学特性研究

针对静压气体轴承,进行三维实体建模,采用供气孔区域非结构化网格和非供气孔区域结构化网格相结合的网格划分方法;采用基于有限体积法的计算流体动力学(CFD)商业软件对三维稳态可压缩气体Navier-Stokes(N-S)方程进行求解;根据计算结果,通过数据拟合获得了考虑转子偏心和转速的静压气体轴承气膜支承力模型.基于有限元法建立了气体轴承-转子系统动力学模型,采用Newmark逐步积分法求解了系统的临界转速和不平衡响应.在此基础上进行实验测试,验证了数值仿真结果.研究结果表明:低速、小偏心下,气膜主支承力随偏心呈近似线性变化;高速、大偏心下,气膜主支承力急剧增大,气体轴承的动压效应显著增强;气膜x,y向耦合支承力随转速和偏心呈非线性变化;转子系统一、二阶临界转速对当前结构刚度变化比较敏感,而三阶临界转速对此不敏感.因此,气体轴承气膜支承力的非线性特性及其与转子耦合动力学特性较为复杂,在对气体轴承进行结构设计时,应充分考虑其与转子的耦合,合理设计工作转速范围.      

高涵道比涡扇发动机结构与力学性能定量评估

针对高涵道比涡扇发动机结构设计需求，提出转子系统、承力系统和整机的结构效率评估参数，建立了结构设计参数与力学特征参数之间的联系。典型发动机评估结果表明:受大尺寸风扇限制，高涵道比涡扇发动机低压转子系统的平均应力系数在0.2~0.3之间，低于其他类型的航空燃气涡轮发动机。在工作转速范围内，低压转子不可避免地存在弯曲型临界转速，须将转子连接结构设计在低应变能区域。机动飞行中，整机的转静间隙值变化范围为［-1.4,1.0］mm，低压涡轮是间隙控制的重点位置。      

倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科优化设计研究

采用了多学科设计优化方法, 根据涡流理论建立了倾转旋翼桨叶空气动力学分析模型, 利用CATIA, ANSYS和ADAMS等软件分析倾转旋翼桨叶结构动力学特性, 采用iSIGHT多学科设计优化软件集成空气动力学和结构动力学分析模型, 建立起倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科设计优化系统, 进行多学科设计优化研究.并以倾转旋翼机XV-15的桨叶为算例, 进行设计优化, 结果表明提出的倾转旋翼桨叶空气动力学/结构动力学多学科设计优化方法是可行和有效的.