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。     

空间用贮箱流固耦合动力特性分析

针对薄壁贮箱的流固耦合问题,在理论分析基础上,采用有限元数值方法进行贮箱在充液不加压和充液加压两种工况下的模态分析,得到流固耦合下贮箱的含阻尼非线性固有频率等动力学参数。最终,总结和分析流固耦合动力学分析结果,给出了贮箱在设计和使用过程中需要关注的两点:一是振型基本均为呼吸状,二是流体的密度、声速会影响流固耦合模型的模态频率。     

带有阻尼环(套)的篦齿封严装置固有特性的理论及实验

以带有开口阻尼环(套)的篦齿封严装置为研究对象, 运用弹性力学、材料力学和接触力学的有关理论研究了阻尼环(套)与封严装置之间的接触压力和接触刚度的求解方法.在此基础上, 根据结构系统动力学理论建立了封严装置/阻尼环(套)组合结构的等效线性系统模型, 并通过模态实验验证了理论模型的正确性.研究了阻尼环的安装位置和阻尼套厚度、宽度、开口量等参数对组合结构固有特性的影响规律.阻尼环在不同的安装位置时对封严装置固有特性的影响较小.阻尼套对封严装置固有特性的影响包括附加质量和附加刚度两方面, 当封严装置结构一定时, 组合结构的固有频率与封严装置自身频率的差异大小取决于阻尼套附加质量和附加刚度的相对比较.由于阻尼环(套)开口较小, 并且它的刚性远低于封严装置的刚性, 组合结构仍大致以周波型振动为主.      

基于幅频特性曲线簇公共点的智能弹簧减振系统参数设计

研究了无阻尼智能弹簧减振系统的一种参数设计方法.采用等效线性化方法将系统中的干摩擦阻尼等效成黏性阻尼,建立系统的数学模型,推导出无量纲化的振动微分方程,得到系统频响特性的解析解.对系统幅频特性进行了数值分析,结果发现:幅频特性曲线簇通过一个公共点,该公共点随质量比的增大向左偏移,随刚度比的增大向右偏移;系统存在一个最优控制参数值,使系统幅频特性曲线峰值最小,其随质量比的增大而减小,但不受刚度比的影响.根据公共点的性质,得到幅频特性曲线簇公共点对应的频率比、最优控制参数和最小振幅的计算公式.确定系统参数的选用原则与范围,并利用公共点提出智能弹簧减振系统参数设计的方法和步骤.      

齿轮-转子-滚动轴承传动系统的弯扭耦合振动

考虑齿轮啮合及扭转作用,建立齿轮-转子-滚动轴承传动系统的弯扭耦合非线性动力学模型.考虑输入/输出端、齿轮轴的弯曲/扭转振动等问题,推导了不平衡齿轮-转子-滚动轴承弯扭耦合的动力学微分方程.在考虑齿轮偏心和滚动轴承非线性接触特性的情况下,分析了转速、偏心量以及轴承游隙等参数对系统振动响应的影响规律.研究发现:由于弯扭耦合的作用,在主动轴中有着非常明显的从动轴转频成分.而在扭转振动中则各轴转频和啮合频率表现得更为清晰;滚动轴承有其自身的谐振频率,在系统设计阶段需要注意避开滚动轴承的变刚度频率对系统的影响;随着齿轮偏心量的变化对系统的时域和频域响应也有着很大的影响.另外,轴承游隙对系统的振动响应也有着较大影响,应选择合适的轴承游隙,以减小系统各处的振动幅值.     

基于AMESim的隔舱式贮箱推进剂管理仿真研究

通过多学科动力学建模方法研究,利用AMESim建立了隔舱式贮箱推进剂输送系统机械、液流与控制动力学模型,并对不同工况下推进剂输送系统动态特性进行数值仿真,获得了隔舱式贮箱推进剂动态变化、各个隔舱 的推进剂消耗率及质心位移等结果.仿真结果显示隔舱总体布局与初始容积分配、隔舱连通结构、飞行轨迹等均对隔舱式贮箱推进剂动态变化产生影响,所建立的模型可应用于隔舱式贮箱总体及结构设计.      

局部贴敷黏弹性阻尼层圆柱壳振动频率与阻尼有限元分析

在引入黏弹性材料复模量模型和考虑圆柱壳弹性边界的基础上,研发了有限元程序来解决考虑频率依赖性的复合圆柱壳振动频率与阻尼的非线性计算问题。创建了一种4节点24自由度复合壳单元来模拟局部贴敷黏弹性阻尼层圆柱壳的力学行为,推导了单元的刚度及质量矩阵。提出由6个弹簧组组成的周向变刚度弹性约束模型来模拟圆柱壳底部的弹性边界条件。确定了复合圆柱壳的动力学有限元方程,并描述了用特征向量增值法求解其振动频率与阻尼的迭代计算过程。对贴敷ZN-1自由阻尼层圆柱壳进行了实例计算,结果表明：该算法的计算结果与实验测试值误差最大为369%,另外黏弹性材料的频率依赖性对复合结构固有频率影响小于001%,而对模态损耗因子影响最大为10947%。     

大气扰动下运输机空投过程建模与仿真分析

研究了三维空间风场下运输机空投货物舱内移动过程中的建模问题.基于矢量法,推导了扰动风影响下空投货物舱内移动飞行过程中六自由度动力学方程,给出了扰动风参数的计算方法.考虑风速沿机身和翼展方向非均匀分布引起的附加气动力作用,提出扰动风场中飞机气动参数修正的一般方法.仿真验证表明,强扰动风将对空投载机阻尼特性、稳定性产生较大影响.增大阻尼回路增益,接通气流角反馈能够改善复杂大气扰动下空投载机的响应特性.     

单圆盘转子非线性振动模型及机理

根据转子非线性振动的力学性质及大变形假设,结合工程实际构建了转子非线性振动具有Duffing方程形式的力学模型,推导了非线性系统的等效频率和频响方程,研究了刚度元件、阻尼元件与非线性元件对系统振动的影响.通过单圆盘转子非线性振动实验,验证了非线性振动模型结构与Duffing方程求解及频响方程的合理性与有效性,揭示了共振、突变、滞后等非线性现象的机理,为转子振动特性分析提供了一种新的研究方法.      

差动活塞式热气自增压系统静态特性仿真研究

为了深入理解液体姿轨控发动机差动活塞式热气自增压系统的特点,依据增压系统平衡条件,采用集中参数法构建了系统的静态特性计算模型,研究了系统主要参数对系统状态和增压性能以及对系统自锁压力的影响规律。研究结果表明:系统增压气体流量朝着推进剂贮箱压力变化相反的方向而变化,起到调节和稳定推进剂贮箱压力的作用;燃气发生器毛细管参数的变化主要对系统增压流量造成影响,与长度相比,其内径变化对系统状态参数的影响作用更大;当压力放大比在设计值附近[-7.3%,+9.6%]变化时,系统稳态工作增压气体流量偏差保持在[-5%,0%]内;流量调节器结构参数的微小变动会引起增压气体流量的较大变化。     

气体静压止推轴承静动态性能及振动抑制

为探讨抑制气体轴承自激振动的新手段,研究了圆盘形单个小孔节流的气体静压止推轴承振动问题。通过两平行圆盘间的气体流动方程,推导建立了气体轴承静动态特性分析模型。通过数值分析的方法,研究并总结了供气压力和气膜厚度对气体轴承静态承载力、静态气体质量流量、静动态刚度以及动态阻尼的影响,计算得到了一系列气体轴承静动态特性变化曲线。然后针对系统出现负阻尼情况,通过引入非线性能量阱(NES)来抑制自激振动的问题。研究结果表明,提高供气压力可以有效地提高气体轴承的静态性能;气体轴承的自激振动主要源于气膜挤压的负阻尼特性;同时,当NES的阻尼超过临界阻尼时,可以使系统的振动得到有效的抑制。     

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.     

摩擦阻尼减振设计中的局部滑动问题

采用干摩擦阻尼器可以有效抑制系统的振动。在摩擦阻尼减振分析中引入局部滑动模型可以更好地描述摩擦阻尼抑制振动的机理。采用局部滑动模型,建立了阻尼器在局部滑动阶段阻尼力与振动位移之间的关系,按照能量等效原则,将阻尼器的刚度、阻尼进行等效并引入振动系统中,发展了带摩擦阻尼系统的振动响应分析方法。通过对带摩擦阻尼器平板叶片的振动响应分析,结果表明:阻尼器在局部滑动阶段,对系统振动的抑制有明显的效果,并且适当施加正压力能使系统在共振状态下的响应达到最小。     

基于多边形膜片弹簧与压电致动器复合的一体化主被动Stewart减振系统

随着遥感卫星光学成像设备等精度的不断提升,其对振动环境的要求也在不断提高,简单的线性被动Stewart平台已经无法满足苛刻使用要求。提出了一种新型基于多边形膜片弹簧与压电致动器复合的一体化主被动Stewart减振平台,其单自由度元件主要由多边形膜片弹簧、压电致动器、力传感器以及柔性铰链组成。相较于传统线性隔振器存在的高静刚度和低动刚度之间的固有结构矛盾,所提出的多边形膜片弹簧作为隔振器的关键原件,兼具高静-低动（HSLD）特性,能够使隔振系统同时具备较高的静态刚度进行静态承载以及较低的动刚度进行动态减振。为了降低被动隔振系统中存在的共振峰幅值,本文在被动膜片弹簧元件的基础上串联一个压电致动器与力传感器组成的主动控制元件进行主动振动控制。仿真结果表明,采用比例积分力（PIF）反馈控制算法的主动控制系统,在频域上不仅可以通过积分力环节搭建出天棚阻尼的效果来降低共振峰峰值（11.19 dB）,而且其比例-力环节可等效为增大了质量矩阵项,能够有效降低减振系统的固有频率（20.9 Hz）,拓宽其减振带宽,并同时能维持高频段的高衰减性,在时域上也能够将系统的加速度振动幅值从±0.6g降低至±0.07g,振动衰减达88%。     

基于改进准则法的复合壳阻尼结构拓扑减振动力学优化

针对复合壳阻尼结构的拓扑减振优化问题，以约束阻尼层的有限单元为设计变量，采用体积比、模态频率和振型为优化约束条件，构建以多模态权重系数的结构模态损耗因子数值关系为优化目标函数的拓扑减振优化模型。为了拓展优化目标灵敏度具有不局限于某一变密度法插值模型的形式，推导了数值表达式的一般函数式。动力学优化中优化目标灵敏度正、负数集共存，使得非凸性的目标函数设计变量出现负值或优化函数寻优于局部极值点。为此，推导出复合壳阻尼结构的全域灵敏度改进优化准则法迭代格，以确保每次迭代域均为全域设计变量集。结合有限单元法编程实现了复合壳阻尼结构改进准则法，并对复合壳结构进行拓扑减振优化分析。结果表明：在敷设体积减为全覆盖的50%时，复合壳结构的模态损耗因子增减偏差为10%，具有提升减振的轻量化设计目的；各阶目标函数和拓扑构型所需的迭代次数少，中间密度区域较小，多阶优于单阶模态优化函数，易于获得全域寻优的有效减振。     

阻尼振动系统复特征解的摄动分析

当振动系统的质量矩阵和刚度矩阵作小修改时,不重复求解大型广义特征问题,在初始的模态坐标变换基础上,用矩阵摄动法给出修改系统的振动频率和振型;然后利用修改系统的振动频率与比例阻尼参数求出修改系统的阻尼比。工程算例表明,这种方法计算简单,具有较高的精度。     

带有挤压油膜阻尼器的转子系统动力学相似设计

针对航空发动机中常见的带有挤压油膜阻尼器(SFD)转子的动力学相似问题,建立了一种相似建模方法。从带有阻尼的转子的振动微分方程着手,通过方程分析法推导了转子振动过程中的不平衡力相似关系和阻尼力相似关系。以挤压油膜阻尼器的油膜力和油膜方程为基础建立了挤压油膜阻尼器参数与转子相似参数之间的数学关系,并给出了相应的工程设计方法。以某带有挤压油膜阻尼器的单转子系统为例,建立了带有挤压油膜阻尼器的相似转子系统,使用有限元法分析了该转子系统与其相似系统的动力学特性,分析结果显示：在仅考虑转子系统内挤压油膜阻尼器阻尼的情况下相似系统的不平衡响应与原转子系统不平衡响应误差低于1%。     

Mechanism of interconnected synchronized switch damping for vibration control of blades

The Synchronized Switch Damping (SSD) is regarded as a promising alternative to mitigate the vibration of thin-walled structures in aero-engines, especially for blades or bladed disks. The common manner is to shunt the switch circuit independently to a single piezoelectric structure. This paper is aimed at exploring a novel way of using the SSD, i.e., the SSD is interconnected between two piezoelectric structures or substructures. The damping mechanism, performance, and effective range of the interconnected SSD are studied numerically and experimentally. First, based on a dual cantilever beam finite element model, the time domain and frequency domain modeling and solving methods of the interconnected SSD are deduced and validated. Then, the influence of the amplitude and phase relationship on the damping effect of the interconnected SSD is numerically studied and compared with the shunted SSD. A self-sensing SSD control board is developed, and experimental studies are carried out. The results show that the interconnected SSD establishes an additional energy channel between the corresponding piezoelectric structures. When the amplitudes of the two cantilever beams are different, the interconnected SSD balances the vibration level of each beam. When the amplitudes of the two cantilever beams are the same, if the appropriate interconnection manner is selected according to the phase, the resonance peak can be reduced by more than 30%. When the vibration is in-phase/out-of-phase, the damping generated by the interconnected SSD in a cross/parallel manner is even more significant than the shunted SSD. Furthermore, this novel connection scheme reduces the number of SSD circuits in half. Finally, for engineering applications, we implement the proposed damping technology to the finite element model of a typical dummy bladed disk. A piezoelectric damping ratio of 13.7% is achieved when the amount of piezo material is only 10% of blade mass. Compared with traditional friction dampers, the major advancements of the interconnected SSD are: (A) it can reduce the vibration level of blades without friction interface; (B) the space constraint is overcome, i.e., the vibration energy is not necessarily dissipated independently in one sector or through physically adjacent blades, and instead, the dissipation and transfer of vibrational energy can be realized between any blade pair. If a specific gating circuit is adopted to adjust the interconnection manner of the SSD, vibration mitigation under variable working conditions with different engine orders will be expected; (C) designers do not need to worry about the annoying nonlinearities related to working conditions anymore.     

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。