失谐叶盘结构振动问题研究新进展

失谐叶盘结构的研究对航空发动机振动设计和提高其可靠性、完整性具有重要的意义。本文全面阐述了国内外失谐叶盘结构研究的新进展,重点对近年来研究的热点问题：建模、局部化、失谐优化与灵敏度、非线性、失谐识别、多重耦合与颤振等做了详细的评述与讨论,综合了最新的研究方法和取得的成果,对一些新出现的重要研究方向,比如科氏力、多个部件耦合等问题进行了详细的总结,最后提出了需要进一步研究的问题。     

航空发动机高压转子试验模型的动力学相似设计

为了获得能够替代航空发动机转子原型进行动力学试验的模型，提出了发动机转子系统试验模型的动力学相似设计方法。采用相似理论推导了转子系统缩比模型的动力学相似准则，继而建立缩比模型与原型的动力学相似关系。通过动力学优化方法对转子缩比模型的动力学等效模型进行修正，目标函数由固有频率、临界转速和振型组成。以双转子发动机高压转子系统的动力学相似设计为例，通过有限元仿真对设计方法的有效性进行了验证。结果表明，在设计转速范围内，动力学相似模型与原型的前两阶临界转速相似误差分别为3.92%和0.86%，对应振型的相关性均大于0.98，且模型与原型的模态应变能分布基本一致。通过该方法获得的动力学相似模型能够较好地预测原型的动力学特性，并有效降低模型试验的成本和难度。     

缘板阻尼结构减振特性的影响因素分析

基于简化的叶片-缘板阻尼结构模型，开展缘板阻尼结构干摩擦阻尼减振特性的计算分析。阐述了谐波平衡法预测叶片响应的基本原理，并提出了一种基于离散傅里叶变换的雅克比矩阵快速计算方法，结果表明:该方法能够实现谐波平衡法的加速，并使叶片响应计算效率提高8倍以上。在此基础上，重点探究了离心力、缘板阻尼块质量、激振力、缘板倾斜角及缘板阻尼块转动等因素对叶片响应特性的影响，并总结上述关键设计参数对叶片-缘板阻尼结构减振特性的影响规律。      

含接触界面的叶盘结构强迫振动响应快速预测方法

建立了含接触界面的叶盘有限元结构强迫振动响应的快速预测方法。以含燕尾型榫连接的叶盘结构有限元(FE)模型为例,通过模态综合法对线性结构模型进行减缩,将模型计算规模降低至原模型的1/25以下,采用谐波平衡法对进行稳态响应预测。在此过程中,将作者前期研究工作中提出的雅可比矩阵加速技术进行拓展改进,形成了适用于含接触界面的大规模有限元模型的快速雅可比矩阵快速计算方法,将基于谐波平衡法的响应预测速率提高400倍以上。结果表明:所建立的含接触界面的叶盘结构强迫振动响应快速预测方法准确性良好,在计算效率方面拥有巨大的优势,可为后续开展各种类型干摩擦阻尼器的设计和优化工作提供强有力的工具。      

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。      

基于激光连续扫描的弯曲管路工作变形测试方法

针对某发动机外部部分弯曲管路的振动测试工作,提出了1种基于激光多普勒连续扫描的高效测试方法。将线段的坐标变换引入激光连续扫描,发展了1种适合弯曲管路的激光连续扫描路径算法,使连续扫描激光振动测试应用于曲线结构,并进行了试验验证。结果表明:对某发动机外部管路中的弯管进行了曲线激光连续扫描测试,获取了1000 Hz内的2阶模态,与商用激光离散点扫描测试模态振型的相关性在0.9以上,验证了曲线连续扫描激光多普勒振动测试的可行性和准确性。连续扫描激光测试的效率高、测点密集,对进一步工程应用具有重要意义。     

涡轮后机匣的结构动力学精确建模

构建精度高、规模适中的部件动力学模型,是航空发动机在研制初期实现从结构部件到整机的动力学特性准确分析的有效途径。为构建满足工程需求的部件结构动力学模型,依据某装配组合式涡轮后机匣的结构特点,提出了其各构件的“超模型”建模及装配组合形式的连接件分类建模的方法,实现装配组合式涡轮后机匣的整体“超模型”建模。同时,进一步介绍了各构件的“超模型”建模步骤、基于有限元单元网格尺寸变化的收敛准则,建立了自由度490万的后机匣构件“超模型”,“超模型”构件的频差精度可达1%以内;利用薄层建模法模拟多螺栓连接结构、采用接触对模拟支板搭接处的接触连接。装配组合后的涡轮后机匣“超模型”通过动力学分析,结果表明后机匣前8阶为整体振动模态。整体“超模型”的建立,可以代替研制样机提供虚拟试验数据,实现简化模型的修正和确认,为研制初期的结构动力学特性精确分析提供技术支撑。可推广应用到发动机其他部件及整机的精确建模中。     

基于径轴向Tchebichef矩函数三维曲面非对称结构的模型修正

采用积分的思想,将曲面机匣看作由若干圆柱机匣积累而成,将曲面机匣振型数据插值到一个圈数×点数×层数的三维像素空间内,能够实现径轴向Tchebichef矩(RAT矩)对曲面机匣模态振型的识别。利用RAT矩函数从曲面结构模态振型数据提取矩特征值,实现对振型数据的压缩,基于矩特征值的相关性分析能够很好地描述重模态现象,弥补了传统模态置信准则(MAC)值对于重模态描述的缺陷。进而将矩特征值代替振型数据,作为目标函数,应用于模型修正。矩特征值的数据量远小于振型数据,能够提高计算效率、避免修正结果不收敛。考虑到工程部件大多非完全轴对称,以一个带有非对称凸台的航空发动机机匣为例,基于RAT矩进行模态计算、相关分析和模型修正,发现同时利用频率与RAT矩进行模型修正,相关性有明显的提升,例如第9阶模态的相关性由35.35%提升到67.21%。各阶模态对的频差也都明显降低,最大频差由14.56%降至9.09%。证明了RAT矩函数能够应用在三维曲面非对称机匣的模型确认中。     

轴对称结构的模态振型描述和模型确认

利用轴对称结构模态振型的Zernike矩能够有效区分重根模态的特点,提出了一种基于Zernike矩函数的相关性分析方法以及基于Zernike矩函数灵敏度的模型修正方法。以某航空发动机压气机轮盘为例,采用轴对称结构的模态振型Zernike特征矩,通过模态测试数据与有限元模型预测结果的相关性分析,克服重根模态对相关性分析的影响,准确地匹配模态对;同时采用基于Zernike矩函数的振动模态对于设计参数的灵敏度,修正有限元的模型修正,使压气机的设计模型的动力特性预测与实际结构的测试相一致,验证了该方法的可行性与优越性。     

曲面叶片三维工作变形连续扫描激光测试

提出一种曲面叶片三维工作变形连续扫描激光多普勒振动测试方法并应用于某压气机叶片的振动测试。将图像几何变换引入激光连续扫描,发展了一种适合曲面叶片这类非规则几何结构的激光连续扫描路径算法,使连续扫描激光振动测试应用于非矩形区域,并通过实验验证了其准确性。基于此测试方法,提出了曲面叶片三维工作变形的测试方法,研究了三维激光测试坐标分解原理。对某压气机叶片进行了三维激光连续扫描测试,获取了3600Hz内的前9阶模态,与商用三维激光离散点扫描测试模态振型的相关性基本在0.95以上,验证了三维连续扫描激光多普勒振动测试的可行性和准确性。连续扫描激光多普勒测试的效率高、测点密集,对进一步工程应用具有重要意义。