带凸肩叶片非线性振动响应分析

基于时频转换的思想,提出了一套利用叶片自由模态求解带凸肩叶片非线性振动响应的方法.该方法消除了原来方法在时频转换过程中存在的一些问题,并考虑了振动过程中接触刚度随正压力的变化,提高了计算效率和结果的准确性,计算结果与试验结果具有很好的一致性,完全能够满足叶片减振设计的工程需要.此外,还分析了自由模态阶数对计算结果的影响,发现当接触面接近自由时,需要少阶的叶片自由模态就能得到准确结果;而当接触面接近粘滞时,需要较多阶的模态才能得到准确响应.      

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。     

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。     

凸肩结构对叶片的干摩擦减振研究——规律分析

针对带凸肩的平板叶片,对凸肩阻尼结构的减振规律进行了系统的研究。获得了凸肩接触面初始正压力、接触角度、接触刚度、摩擦系数等多种参数对叶片非线性响应的影响规律。此外,研究了某航空发动机带凸肩风扇叶片的振动响应,分析了凸肩结构对其一阶弯曲振型及某高阶振型的减振效果,确定了该叶片发生疲劳断裂的原因。本文工作对带凸肩结构叶片的设计、排故具有指导意义。      

带干摩擦阻尼结构叶片振动响应试验

建立了非旋转状态叶片试验系统,正压力加载方案可实现连续调节并较准确测量接触压力.利用该试验系统,对不同接触紧度,接触角度带冠叶片的振动特性及响应进行测试,结果表明带冠叶片出现了共振频率分叉的非线性现象.通过试验分析叶冠接触面紧度,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,结果显示接触角度应根据振型综合考虑接触面间相对运动在切向和法向两个方向分量的比例关系进行选取.      

叶片摩擦阻尼器切向刚度研究

对带摩擦阻尼器的叶片进行响应预测时 ,摩擦阻尼器多采用滞后弹簧模型 ,摩擦阻尼器切向刚度 (弹簧刚度 )值的准确与否成为理论计算成败的关键因素之一 ,本文提出了一种确定摩擦阻尼器切向刚度的新方法 ,并用这一方法对叶片缘板摩擦阻尼器的切向刚度进行了研究 ,研究了摩擦面法向正压力及激振力对摩擦阻尼器切向刚度的影响规律 ,发现了摩擦阻尼器切向刚度与摩擦面的法向正压力和激振力之间的确定的函数关系。     

凸肩径向位置对风扇叶片振动特性的影响

针对带凸肩风扇叶片的动力学设计需求,研究凸肩径向位置对风扇叶片振动特性的影响规律.基于梁理论建立带凸肩风扇叶片的力学模型,采用瑞利法推导了1阶固有频率解析解,并获得了1阶固有频率随凸肩径向位置的变化规律.基于非线性接触有限元法,研究了凸肩径向位置对接触状态和振动特性的影响.研究结果表明:凸肩径向相对位置为0.75时,可使叶片具有最大的刚度值和1阶固有频率值.而综合考虑多阶模态频率时,凸肩径向相对位置为0.55至0.68时,叶片振动特性最优.凸肩接触正压力随凸肩径向位置增加而下降,切向接触刚度随凸肩径向位置的增加先增加后减小.      

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.     

基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法

接触刚度和阻尼是影响螺栓连接的装配结构动力学特性的关键参数,为了实现接触刚度和阻尼的同时识别,在前期开展的螺栓连接结构接触刚度识别的基础上,提出一种基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法。通过在单螺栓连接结构中巧妙引入试验垫片,通过试验获得有界、对称且均匀接触状态下结构的固有特性与动态响应;进而建立模拟接触面刚度与阻尼的薄层单元,并仿真获得结构的动态响应特性;通过结构固有频率测试与仿真结果构建误差函数实现接触刚度识别,通过动态响应测试与仿真结果构建误差函数实现接触阻尼的识别,进而获得接触刚度与阻尼随接触法向力变化的模型。结果表明,接触刚度随法向力非线性增大而接触阻尼则非线性减小,当法向力较大时,接触刚度和阻尼趋于稳定。研究结果为接触刚度和阻尼的同时识别提供了一种行之有效的方法,识别平均误差分别为4.5%、14.8%,所识别的刚度和阻尼以合适的薄层单元形式,可直接应用到包含多接触面的装配系统动力学分析中。     

燃气轮机周向拉杆转子连接刚度对转子振动特性影响的研究

为研究燃气轮机周向分布式拉杆转子轮盘间存在的连接刚度对轴系转子振动特性产生的影响,本文提出一种基于六自由度的弹簧单元等效方法;首先将轮盘接触刚度与拉杆弯曲刚度同时等效进连接界面,便于使用一维梁单元求解其临界转速与振动响应变化,验证其与全三维有限元法吻合度在3％以内;然后改写了非线性动力学方程,采用谐波平衡法对其进行求解,使用经典Newmark方法验证其准确性;最后使用该等效方法计算了某模拟转子连接刚度对其临界转速、响应特性、非线性特性等的影响。计算结果表明：当连接面剪切刚度与弯曲刚度减小3个数量级,均造成了临界转速的降低和振动响应的提高,而其影响程度可由各阶振型大致推测,且响应幅值受剪切刚度影响较大;使用临界转速趋于收敛时的连接刚度与试验值的对比误差小于2％,较连续模型提升显著;在连接刚度各向异性时,每一阶临界转速均出现两个响应峰值,轴心轨迹变成椭圆;考虑刚度随位移变化（非线性刚度）后,转子的响应峰值发生“歪扭”特性,且该峰值特征随不平衡量、无量纲阻尼等因素变化而呈现“波浪形”变化。     

摩擦阻尼器参数对叶片振动响应的影响

论述了摩擦阻尼器参数对叶片响应的影响规律,着重分析了摩擦阻尼器切向刚度和摩擦面的摩擦系数对叶片响应的影响。结果表明,摩擦阻尼器对叶片的响应有重要影响,增大阻尼器切向刚度有利于叶片减振。     

微动工况下接触刚度测试

设计了一套能够测量由于接触表面间小幅度的相对切向运动所导致的迟滞现象的试验装置,克服了无法将系统刚度与接触刚度分开的难题.利用该试验系统能够对不同初始正压力和激振力作用下接触表面间微幅相对运动的迟滞曲线进行测试,根据测试结果计算得到接触表面间的接触刚度.最后将试验结果与理论、数值计算结果进行对比,为最终建立一套可准确预估接触表面间接触刚度的数值模拟方法奠定基础.      

叶片摩擦阻尼器的优化设计方法研究

为减小叶片振动应力 ,防止叶片出现大应力的疲劳破坏 ,在叶片上设计干摩擦阻尼结构是最常用的方法之一。本文对叶片缘板摩擦阻尼器的工程优化设计方法进行了研究。研究了摩擦阻尼器参数对叶片响应的影响规律并提出了设计时应采取的措施。在阻尼器的材料和摩擦面结构已确定的情况下 ,优化设计的最主要的一个参数就是接触面的法向正压力 ,基于实际发动机中叶片激振力和粘性阻尼不易精确确定的实际 ,研究了激振力和粘性阻尼对法向正压力优化的影响 ,并提出了一种法向正压力的优化方法。由于这一优化方法对激振力和粘性阻尼值并不敏感 ,因此为工程上进行法向正压力的优化提供了理论方法     

叶根连接模型的干摩擦微滑移性能

采用在接触面上建立多个接触对以模拟叶根处微滑移的方法和控制变量法，获取稳定状态下二维叶根接触面上摩擦力和相对位移的迟滞回线，分析评估了参考点、网格分配、切向和法向载荷、接触刚度、摩擦因数等参数在微滑移中的影响，从一个新角度考察了叶根干摩擦微滑移的性能。分析结果表明在采用微滑移模型研究叶根连接时，不同参数的选择对其干摩擦性能均有影响。接触单元的数量影响结果的精度，接触面上参考点的选择影响迟滞回线的描述，切向载荷影响迟滞回线中相对位移的大小；法向接触刚度的降低会明显增加相对位移和微滑移区域的大小，切向接触刚度的增加使叶根处更容易进行类似刚体运动的宏观滑移；摩擦因数和正压力的增加使得微滑移区域增加，但两者的影响并不完全一样。同时，从耗散能的角度研究了接触参数的减振效果。      

航空发动机承力结构系统阻尼减振设计方法

针对典型高推质比涡扇发动机承力结构系统,提出了干摩擦阻尼减振的结构振动控制方法:在不损失支承刚度的前提下,于承力结构上设计具有动力吸振作用的干摩擦阻尼器,增强转子支承结构系统在宽频域内的阻尼特性,实现在工作转速频率内对承力结构振动响应的有效控制。通过理论分析和仿真计算,确定了干摩擦阻尼器结构特征及摩擦接触条件对减振效果的影响规律，并提出了承力结构阻尼减振的设计思路与流程。结果表明:干摩擦阻尼器可通过接触摩擦消耗承力框架的振动能量，合理设计阻尼器的摩擦因数和爪宽将进一步优化减振效果，算例中轴承座局部共振幅值衰减超过1个量级。      

带涂层干摩擦阻尼器的分子动力学仿真

从纳米级微凸体间的剪切运动出发研究干摩擦阻尼器摩擦机理。采用更加精确的多体势,建立描述两个可变形半球状微凸体剪切运动过程的分子动力学模型。应用该模型分析了单晶铜微凸体剪切运动过程中切向力和法向力随相对位移、干涉深度和微凸体半径的变化规律,同时研究了剪切过程结束后剩余变形能的变化。通过多尺度分析和统计学工具,建立了干摩擦模型的微凸体模型,并与实验结果进行对比。研究表明:单晶铜在真空中发生干摩擦时,结合面的表面法向接触刚度与法向载荷成正比,滑动摩擦因数只与表面粗糙度参数有关。计算结果与纯铜摩擦实验结果相吻合,证明该方法可准确地分析覆盖涂层的干摩擦阻尼器工作面干摩擦特性,对于已知微观参数的表面,能够准确地预测滑动摩擦因数。      

干摩擦阻尼器对宽频多阶次激励减振效果分析

在对干摩擦阻尼非线性系统响应求解的高阶谐波平衡法、摩擦力时域求解的时间推进法以及时频转换（AFT）法中的关键技术进行介绍的基础上,采用将时频转换法与高阶谐波平衡法相结合的方法对典型航空发动机叶片缘板阻尼器宽频多阶次激励的减振效果进行计算与分析.通过与直接积分法获得的结果进行对比,表明该方法具有较高的计算精度,且计算效率远远高于直接积分法.对比了保留不同谐波阶次时的计算结果,说明对航空发动机中宽频多阶次激励下的干摩擦阻尼系统进行分析计算时需要保留非线性力的高阶谐波成分,才能获得准确的结算结果.干摩擦阻尼器对于不同频率成分激起的共振峰值的最优正压力值不同,实际中应针对激振频率带宽及具体的减振需求,对阻尼器的设计参数进行优化设计,使得系统在整个工作频带上振动响应最小.