旋转叶片在热激励下频率转向特性的研究

基于薄板弯曲理论,采用梁函数组合法对悬臂板进行动力特性分析,推导了在变转速状态下悬臂板频率和振型的解析解的一般表达式,提出了在离心力场和温度场效应下研究叶片“频率转向”的新方法,建立了计算悬臂板各阶频率和振型的理论依据。同时,采用Matlab软件分析了在离心力作用和不同工作温度下,叶片的“频率转向”特性和模态振型的变化规律,并较为详细的讨论了T=25℃时,在“动频交叉点”附近（第2,3阶频率线交叉点附近）叶片的模态振型。仿真结果表明,工作温度越高,动频交叉点处对应的旋转速度越高;孤立的弯曲模态、扭转模态不会与其他模态耦合而导致频率转向;第2阶二弯模态振型没有明显的变化,第3阶一扭模态振型基本不变。     

叶片在变转速状态下频率转向特性的研究

基于薄板弯曲理论,采用梁函数组合法对悬臂板进行动力特性分析,推导了在变转速状态下悬臂板频率和振型的解析解的一般表达式,提出了在离心力作用下研究叶片“频率转向”的新方法,建立了计算悬臂板各阶频率和振型的理论依据。同时,采用Matlab软件分析了不同展弦比的叶片在离心力作用下,其“频率转向”特性和模态振型的变化规律,并较为详细的讨论了在“动频交叉点”附近（第2,3阶频率线交叉点附近）叶片的模态振型。仿真结果表明,在叶片的动频曲线相交点处,相同厚度、相同长度的叶片,展弦比较大的叶片的动频曲线交点对应的转速和频率较大;孤立的弯曲模态、扭转模态不会与其他模态耦合而导致频率转向;第2阶二弯模态振型没有明显的变化,第3阶一扭模态振型基本不变。     

裂纹叶片频率转向和振型转换特性研究

基于有限元法对裂纹悬臂平板叶片的频率转向和振型转换特性进行了线性和非线性研究。首先使用张开型裂纹模型通过线性模态分析研究了裂纹长度变化引起的频率转向和振型转换问题,使用模态置信因子定量分析了频率转向区内振型的渐变过程。而后考虑裂纹闭合效应,建立了裂纹平板的双线性模型,使用张开型和闭合型模型线性分析结果计算得到双线性频率,其中张开型和闭合型裂纹振型通过模态相关性分析进行匹配。计算了裂纹叶片双线性频率,分析了非线性频率转向特性与线性分析结果的差异。最后使用接触有限元模型瞬态响应扫频计算得到非线性共振频率,对张开型模型和双线性模型在典型弯曲、扭转和面内弯曲模态的共振频率进行了验证。     

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     

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.     

小展弦比带掠风扇转子叶片的耦合颤振

从结构力学出发,对某发动机整体叶盘进行了盘片耦合振动特性分析,通过分析小展弦比带掠风扇转子叶片的共振转速、耦合颤振和失速颤振,发现了该小展弦比带掠风扇转子叶片存在2阶与3阶动频与静频振型发生变化的特殊现象,揭示了该小展弦比带掠风扇转子叶片为另一种耦合颤振的问题.通过对该小展弦比带掠风扇转子叶片的结构调整,找出了叶片前掠是该叶片发生此类特殊现象的重要影响因素,适当压缩该叶片的前掠后,从设计上避免了发生颤振的可能,提出叶片各阶频率的分离度需满足10％的设计要求.      

刚度随机失谐叶盘结构概率模态特性分析

基于典型叶盘结构的集中参数模型和Monte Carlo数值计算,分析了刚度随机失谐叶盘结构的概率固有特性.给出了叶盘结构的扇区两自由度集中参数模型,计算并说明了其基本频率结构特性,根据叶盘结构模态振动物理背景,提出了一个定量表征模态振型局部化程度的指标一模态局部化因子,分别计算了不同随机刚度失谐叶盘结构固有频率和模态振型局部化的统计特性,讨论了失谐因素的影响规律等.研究表明,叶片和耦合刚度的失谐影响的频率区间有着明显的不同,并在其影响频段内模态局部化因子会出现"突变"的现象.      

叶盘系统频率转向与模态耦合特性分析

叶盘系统频率转向现象是系统模态间相互耦合的结果,并在较大程度上影响系统的振动特性.本文以系统模态能量的角度,从叶盘系统特征方程中导出各子模态能量的表达式,并利用集中参数模型,系统地研究了叶盘系统频率转向特性与系统模态中各子模态能量的变化规律.通过研究叶盘模态耦合能量的变化特性,较为全面地分析和总结了系统频率转向与各子模态能量变化之间的内在联系.      

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。     

高速旋转薄壁壳体的行波振动理论与实验研究

利用壳体振动理论建立一般旋转壳体的振动方程,并通过传递矩阵法进行数值求解。在动、静坐标系下分析了壳体长径比、厚径比及其边界条件对行波振动特性的影响,在高速旋转实验台上对旋转壳体采用冲击激励的方法进行动模态参数识别。理论和实验结果表明,高速旋转薄壁壳由于科氏力的影响,同一模态振型对应两个不同频率的前、后行波且不会出现驻波现象。壳体几何尺寸的变化对模态振型有较大的影响,而边界约束的不同对低阶模态参数有影响。     

基于响应传递比的转子叶片动应变重构

提出基于响应传递比的转子叶片动应变重构方法,从系统应变频响特性出发,在频域获得应变-应变响应传递比关于模态振型的解析表达式,建立叶片已知测点应变与不可测位置应变的映射关系;开展高速旋转叶片动应变测量实验,建立叶片有限元模型,并采用转子叶片前4阶固有频率的实验结果修正有限元模型;开展考虑转速影响的转子叶片模态分析,提取对应的应变模态振型,计算得到单模态振动下应变-应变响应传递比;综合应变响应传递比和实测动应变重构叶片不可测位置的动应变。实验结果表明:与应变片实测结果相比,基于响应传递比的转子叶片动应变重构结果相对误差小于10%。      

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.      

基于压电纤维复合材料的离心叶轮叶片高阶模态测量

为准确获取离心叶轮叶片的高阶振动特性及其模态,利用压电纤维复合材料(Marco fiber composite,MFC)对离心叶轮叶片进行模态测试。设计了MFC激励系统,提出了MFC选型、激励和测点位置的确定方法,研究了不同信号的高阶模态激励效果,并分析了MFC附加质量和刚度对叶片固有频率和模态的影响;结合有限元仿真结果,对比分析了前20阶振动模态的异同。试验结果表明:MFC具有操作简单、重复性好、信噪比高、能够稳定激励出高阶模态等优势,计算模态与测量模态吻合较好,在第6～8阶与第12～15阶之间存在模态密集区域;MFC附加质量和刚度对实验固有频率的影响低于4%。提出的MFC激励方法可用于具有较高固有频率的航空发动机部件的模态测量。     

旋翼桨叶动力分析及内力计算中有限元法的改进

提高用有限元法进行桨叶动力分析、特别是动内力计算的精度是本文工作的主要目的。本文建立了变剖面旋转梁协调单元族;提出利用单元动刚度矩阵直接由节点位移计算桨叶内力（简称为计算内力的“动刚度法”）。作为例子,用所导出的不同精度的有限单元和建议的内力计算方法计算了具有不连续结构特性的变剖面桨叶弯曲振动固有频率、振型和模态内力。计算结果表明,工作可以达到预期的目的。     

大型风力机复合材料叶片动态特性及气弹稳定性分析

采用参数化建模技术快速建立大型风力机复合材料叶片三维有限元壳模型,并在此基础上对叶片的固有动力学特性进行停机及以额定转速旋转两种工况下的模态分析,其中旋转工况考虑了离心力导致的应力刚化效应和旋转软化效应。通过编制插值程序,将CFD计算所得的叶片表面分布压力,导算到叶片结构计算的有限元壳模型上,并以此为载荷对叶片进行静气弹稳定性分析。以某初步设计的1.5MW风机为例的计算结果表明:在参数化三维壳模型建模基础上进行的模态分析技术与结合CFD的静气弹稳定性分析技术,有利于快速、准确地计算大型复合材料叶片的动态特性、识别叶片结构的薄弱部位,并预测叶片发生局部屈曲的可能性及其发生的位置。     

基于打靶试验的风扇机匣包容能力评估方法

为保障飞行安全,航空发动机机匣需具有足够的抗冲击能力以包容高速旋转状态下丢失的叶片。针对某型涡扇发动机对开式风扇机匣包容性评估需求,提出了1种结合真实机匣打靶试验和有限元分析评估机匣包容能力的方法。通过使用真实机匣和真实叶片进行打靶试验获得风扇机匣的冲击损伤情况,并基于ANSYS/LS-DYNA进行了瞬态动力学有限元分析。结果表明:采用Johnson-Cook模型预测的机匣伤形状、尺寸以及叶片残余速度均与试验结果接近,验证了数值分析方法的准确性。采用验证过的数值分析方法开展旋转状态下机匣的包容性评估,发现由于撞击姿态差异和失效模式转变,风扇机匣可以包容以100%工作转速飞出的叶片,但机匣出现长裂纹,接近临界包容状态。所提出的方法可以在不具备部件包容试验条件的情况下,以较方便的形式对机匣包容能力可靠评估。     

含碰摩故障的转子-盘片-机匣系统动力学特性分析

以转子-盘片-机匣耦合系统为研究对象,基于ANSYS有限元软件建立有限元模型,通过实验测试得到的固有频率验证了模型的有效性;采用点点接触来模拟叶片和机匣之间的碰摩故障,并通过测试的响应数据,进一步验证了所采用模型的正确性和可行性.最后,仿真分析了定转速情况下不同侵入量、定侵入量和定间隙下不同转速对系统动力学响应的影响.研究结果表明:叶尖碰摩主要激发高倍频成分,且在系统俯仰刚体模态频率附近会出现倍频幅值放大现象;定侵入量条件下,高转速碰摩情况时系统的频率成分减少,系统的法向碰摩力也随着转速的增大而变化;定间隙条件下,在高转速碰摩情况时倍频幅值会超过转频,在一次连续碰摩过程中会出现多次碰撞反弹现象.