基于拓扑优化的叶盘压电阻尼器性能研究

针对压电分支阻尼技术在航空发动机叶盘结构振动抑制问题中的应用,提出了一种拓扑优化方法,可给出限定用量的压电材料在轮盘上的最佳位置,以提升压电分支阻尼的上限。在轮盘上布置压电材料还可防止对叶片通道内流场的影响,避免降低流体效率。首先,论述了该拓扑优化方法的原理,推导了模态机电耦合系数这一核心参数的计算公式及其与最佳阻尼比、模态应变场的关系。其次,建立了基于模态应变场的压电材料分布拓扑优化方法,可用于任意有限元模型。最后,将该优化方法应用于一个航空发动机压气机叶盘结构模型,分别针对单一和多阶模态进行了压电材料在轮盘上分布的拓扑优化,研究这种铺设方式对各典型模态(轮盘主导、叶片主导、耦合振动)的振动抑制效果。结果表明,在仅采用占轮盘质量5%的压电材料的情况下,优化后的压电阻尼器最多可以为轮盘振动主导模态及叶片-轮盘耦合振动模态提供约13%的模态阻尼比,为叶片主导模态提供的模态阻尼比集中在2%～4%。     

大小叶盘结构连续参数模型和振动模态

给出了用于研究大小叶片整体叶盘结构固有振动特性分析的连续参数模型。模型用 Timoshinko梁模拟叶片 ,用平板模拟轮盘 ,并在叶片和轮盘间引入弹簧元件模拟叶片和轮盘间的耦合关系 ,简化了两者间的边界条件和连续性条件。采用 Gram-Schmidt方法生成正交多项式作为李兹容许函数进行模型的离散化 ,简化了所得到的频率方程求解过程 ,有利于求解过程的数值稳定性 ,并可方便地通过对方程系数性质的分析了解结构振动模态的性质。利用上述的分析原理和求解方法 ,进行了简化的大小叶片整体叶盘结构的计算 ,计算结果与有限元计算结果具有很好的一致性      

失调叶片盘的振动机理

本文对于失调叶片盘的耦合振动问题 ,采用子结构模态综合法建立系统的振动微分方程 ,利用试验模态分析及模态修正计算求得调谐叶片和外缘带锥壳轮盘的若干低阶模态。通过对叶片模态刚度的微量摄动 ,构造真实的失调叶片盘和各种理论分析失调模型。对某个实际的失调叶片盘的非旋转强迫振动试验验证了系统的力学模型和计算公式。计算结果分析表明 ,失调叶片盘强迫振动响应中个别叶片振动过甚乃为叶片失调所致。对各种失调模型的振动计算表明 ,小频差的随机失调优于其他失调分布形式。并就算例给出了最佳频差幅值和恰当的发动机工作频率范围。     

整圈自带冠叶盘系统斜碰撞振动局部化研究

为研究整圈自带冠叶盘系统斜碰撞振动局部化问题,建立了整圈自带冠叶盘系统斜碰撞振动的集中参数模型动力学方程,计算不同耦合刚度下的各阶固有频率.分析了存在冠间间隙失谐情况下,叶片的各阶次振动响应特性和碰摩力,以及叶片刚度失谐情况下,不同耦合刚度叶盘系统的斜碰撞/无斜碰撞振动局部化因子.对比分析了叶片刚度、冠间间隙分别存在随机失谐时,不同耦合刚度叶盘系统的斜碰撞振动局部化因子.研究发现:在出现斜碰撞和轮盘共振情况下,即使是谐调叶盘系统也会出现振动局部化现象.而在各阶共振情况下,失谐叶盘系统都会出现振动局部化现象.计算表明:碰摩力与振动局部化的产生有直接关系,斜碰撞使叶片对失谐的敏感程度更大.另外,弱耦合叶盘系统比强耦合叶盘系统的振动局部化因子相对更大,叶片振动对于叶片刚度失谐比对冠间间隙失谐的敏感程度更大.      

燃气涡轮盘/叶耦合系统振动特性分析

利用UG对两级涡轮轮盘/叶片进行三维实体建模,导入ANSYS构建其耦合振动分析的有限元模型,以静强度分析为基础,主要对比了有无温度场情况下,盘/叶耦合系统的振动特性差异,计算中考虑了温度场和离心载荷的影响,使计算结果更接近于实际情况,结果表明,温度不是影响涡轮盘/叶振动特性的主要因素。此外,从叶盘耦合谐振图可以看出,在工作转速下涡轮叶盘没有发生共振的危险;在起动时,只需快速的跨过一些共振区就能很好的避免耦合共振的情况发生,就振动设计而言,该型涡轮的设计是合理的。     

压气机中叶片轮盘耦合结构振动分析

在建立了叶片与轮盘三维装配模型的基础上, 考虑了由于装配产生的接触应力与叶片轮盘之间的耦合作用后, 建立了叶片-轮盘装配耦合的振动特性计算的有限元模型.并采用ANSYS软件, 使用循环分析方法对某叶片轮盘耦合结构的振动特性进行了计算分析.通过模态实验校验的手段证明用这种方法进行榫接装配系统动力学分析是可行的.      

燃气轮机叶片-轮盘耦合系统振动特性计算

建立了叶片－轮盘耦合系统振动固有特性计算分析模型。利用有限元通用程序NASTARN的循环对称分析功能和几何非线性分析功能,对某舰用燃气轮机实际叶片－轮盘结构进行了计算分析。计算中考虑了旋转离心力及材料参数随温度变化对固有特性的影响,计算得到了谐波共振频率与实测结果基本吻合。     

失调对叶片-轮盘耦合系统振动影响的预测

叶片 -轮盘系统的周期对称性经常由于制造、材料,以及非均匀磨损和其它因素而被破坏,引起系统出现失调现象,表现为结构特性的微小变化可能导致叶片振幅和响应的急剧增大。而失调也导致此类周期对称性结构振动特性计算的复杂化。利用有限元通用程序和模态综合技术,建立失调叶片 -轮盘耦合系统三维有限元模型,对一个有1 6个叶片的叶片 -轮盘耦合系统进行了振动特性计算分析,给出了叶片分散度和耦合度对振动特性的影响。     

旋转叶盘的非接触激光多普勒定点跟踪测试与振动分析

提出了一种旋转叶盘的非接触激光定点跟踪测振方法,以研究叶盘结构在旋转状态下的振动特性。通过控制扫描系统中x、y振镜的偏转实现对叶盘上任意定点的跟踪测试,同时搭建了旋转跟踪试验测试系统,以16叶片旋转叶盘的同步跟踪测试为例,对激光跟踪测试方法进行验证。通过对旋转叶盘定点跟踪测试得到的时域振动信号进行滤波处理和频谱分析,获得了旋转状态下叶盘的叶片前3阶固有频率对应的不同节径的模态族频率。结果显示:激光对旋转叶盘上一点的跟踪测试数据中,可以提取出整个叶盘的振动频率特性。对比不同转速下旋转叶盘的有限元仿真计算与跟踪测试结果,两者振型具有很好的一致性,且频差在5%以内,验证了该激光跟踪测量方法的可行性和有效性。为航空发动机等旋转机械运行状态下的振动测试提供了一种有效的技术手段。      

燃气轮机叶片-轮盘耦合振动特性计算

 建立了叶片 -轮盘耦合系统振动固有特性计算分析模型 ,利用有限元通用程序 NASTARN的循环对称分析功能和几何非线性分析功能 ,对某舰用燃气轮机叶片 -轮盘结构进行计算分析。计算中考虑了旋转离心力及材料参数随温度变化对固有特性的影响 ,得到的谐波共振频率与实测结果基本吻合     

失调叶片盘耦合振动的力学模型

借助于子结构模态综合法,为研究真实的失调叶片盘耦合振动问题提出了一种非常接近于实际叶片盘的力学模型和简便的理论分析方法;并通过对一个实际失调叶片盘的强迫振动试验,对力学模型、计算公式和程序进行了考核验证。结果表明,试验与计算相当吻合。     

基于耦合场压电分析的失谐叶盘振动仿真模拟

针对典型失谐叶盘结构振动响应局部化实验需求,通过有限元仿真验证实验的最坏叶片失谐模式,基于ANSYS软件的直接耦合场压电分析功能,对粘贴在叶片根部的各压电陶瓷片施加行波谐激励电压,模拟了失谐叶盘的振动响应局部化特性。数值仿真结果与实验结果得到了良好的验证,为进行失谐叶盘振动局部化实验研究提供了有效的支撑。     

小失谐对整体叶盘结构动态特性的影响

基于失谐叶盘频差提出了小失谐的概念,总结了其在实际工程叶盘中的表现形式。以扇区3自由度集中参数叶盘模型为对象,系统研究小失谐对不同模态族的模态局部化和响应幅值放大的影响。研究表明:小失谐在模态族最高节径处同样会造成严重的振动局部化现象。当失谐强度为0.001时,模态局部化因子达到17;当失谐强度为0.007时,响应幅值放大可达1.8。小失谐对叶盘结构动态特性的影响显著,在设计和使用中应予以重视。      

双周期分布式压电分支阻尼对失谐叶盘振动抑制作用分析

将压电分支电路引入失谐叶盘结构，形成机电耦合系统，给出了机电耦合系统动力学方程的推导过程，并从理论上研究了压电分支阻尼对失谐叶盘结构响应放大的抑制效果.通过构造双周期分布式压电分支电路，研究了双周期分布式压电分支阻尼对失谐叶盘结构的振动抑制效果，并与单周期压电分支电路进行了对比，对比结果显示压电分支阻尼（包括单周期压电分支阻尼以及双周期分布式压电分支阻尼）均能有效降低随机失谐叶盘结构的响应放大，其中双周期机电耦合系统响应放大因子统计分析结果小于1的概率在99.7%以上，基本消除了失谐叶盘结构的响应放大现象.通过合理地设计系统的双周期模式，能够获得比单周期更好的失谐响应放大抑制效果.此外，压电分支阻尼使得随机失谐叶盘结构的失谐“阈值”现象消失，提高了叶盘结构的失谐鲁棒性.      

压电网络对叶盘结构气动阻尼的影响

首先通过引入气动影响系数,建立了振动相关气动力与系统振动位移成比例的线性模型。基于此导出了叶盘结构气弹耦合的线性振动方程。接着在叶盘结构中引入压电网络,建立了流 机 电耦合动力学方程；并采用集总参数等效模型研究了压电网络对叶盘结构气动阻尼的影响,对流 机 电耦合系统的特征值问题进行求解,获得了可作为系统气弹稳定性判据的模态气动阻尼比。研究表明,压电网络可以有效改善叶盘结构主要振动形式——节径型振动的气弹稳定性；通过对压电网络中电学参数进行优化设计,可以在较宽范围内提高叶盘结构的颤振边界；压电网络对弯曲振动模态气动阻尼的改善效果优于弯扭耦合振动模态。      

小失谐叶轮的固有振动分析

失谐的带有 N个叶片的叶轮, 由于失去了 N阶回转对称性, 用于谐调叶轮的群论方法不再适用, 给其固有振动分析造成了困难。本文根据摄动理论, 以谐调叶轮的主模态作为 Ritz基, 提出了一种适用于小失谐叶轮固有振动分析的模态综合技术。算例表明, 文中方法是切实可行的。      

叶片-轮盘组件的动力特性研究

本文采用扇形厚板元和波传动法,计算了叶盘组合模型件的振动特性,讨论了组合体与单独叶片及轮盘振动特性的差异,分析了叶盘几何参数变化所产生的影响。文中还对某实际叶盘组件进行了有限元分析,并用实验方法作了检验,结果表明两者是吻合的。 用有限元法计算叶盘组合体振动,有两种较好方法:一种是Kirkhope和Wilson提出,后经Mota Soares等人发展成半解析的环形元法(即有限条法);另一种是后者提出的采用扇形厚板元的波传动法。这两种方法都具有取单元和节点数少、计算精度高等优点,较便于工程应用。然而,这些方法对实际叶盘组件进行计算的经验尚不多,国内外还没有精度高的范例。本文作者经过大量的计算考核,认为对实际叶盘组件的计算拟采用扇形厚板元与厚壳元的组合方案。     

转静干涉流场的激励特征与叶盘结构的共振设计

在对三维非定常转静干涉流场进行计算与分析的基础上,研究了转静干涉流场对叶盘结构激励的特征,包括尾流激励中的频率成分和空间成分, 以及这些特征成分的相对大小. 在此基础上,结合叶盘结构共振条件,总结并提出了从抑制共振的角度确定静子结构周期数的设计原则,即静子结构周期数的确定应使其产生的尾流激励的频率特征中不包含叶盘结构的频率成分,以及空间分布特征中不包含对应该频率模态节径的谐波成分.给出了基于转静干涉流场特征参数估算尾流激励主要频率成分和空间成分的公式, 使这一确定静子结构周期数的原则在设计阶段可方便实施.数值分析结果对这种估算公式的合理性进行了验证.结果表明:该公式不需对转静干涉三维非定常流场进行数值模拟, 即可对静子结构周期数的合理性(是否会引起共振)做出判断.      

错频叶盘结构的概率模态局部化特性分析

以典型压气机叶盘结构为例,提出了实际错频结构的有限元建模方法,并考虑了随机加工误差的影响,定义了一种基于叶片应变能的模态局部化因子,基于ANSYS有限元和Monte Carlo数值计算,定量分析评价了错频叶盘结构固有频率和模态振型局部化的统计特性.研究表明,"错频失谐"会引起显著的振动局部化,叶盘错频设计中需要综合考虑结构的失谐振动局部化和气弹稳定性两方面.