纤维增强涡轮轴结构失效模式分析方法及试验验证

针对连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析问题,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,建立细观力学代表性体积元(RVE)模型,通过编程模拟实现模型的周期性边界条件,计算纤维增强复合材料应力响应,将其均值应力转化为真实应力,确定失效包线。建立连续纤维增强轴结构力学模型,计算轴结构在扭转载荷下的应力响应。通过复合材料层合板主偏轴关系应力转化,将危险单元各方向宏观应力响应计算结果转化到细观力学RVE模型上,即为细观力学RVE模型受载情况。结合细观力学失效边界确定复合材料轴结构危险位置失效模式,当扭转载荷达到5 000～5 500 N·m之间,复合材料最外层即层6(+45°)首先达到基体拉伸失效载荷。开展复合材料轴结构失效模式试验,在扭转载荷达到6 000 N·m时,声发射信号相互叠加,大部分均为中频信号,中频信号多为基体、界面开裂信号。与模拟仿真计算结果对比分析,验证连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析方法的有效性。利用所建立模型预测了某型发动机低压涡轮轴的失效载荷及失效模式。     

缘板摩擦阻尼器的减振实验研究

对叶轮机叶片缘板金属摩擦阻尼器进行了实验研究。着重研究了摩擦阻尼器对叶片的一阶弯曲振型的影响。研究表明 ,利用金属摩擦阻尼器可以有效地降低叶片的振动 ;通过合理选择阻尼器的质量 (即正压力 ) ,可以最大限度地降低叶片的弯曲振动应力 ,即存在一最优正压力 ;并且随着激振力的增加 ,这一最优正压力也将随之增加。因此 ,它是叶轮机械中一种非常简单有效的减振措施。     

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     

带摩擦阻尼的叶片响应求解方法

 提出了一种可用于带摩擦阻尼的复杂结构的动力特性的计算方法——动柔度法。给出了计算公式及流程。并用此法对一带摩擦阻尼器的模型叶片进行了稳态响应的计算。通过理论计算并与实验对比表明,动柔度法是一种可用于复杂结构响应计算的高效的算法。由于叶片与阻尼器之间有复杂的运动关系,在用于带阻尼器的叶片的响应计算及阻尼器优化设计时,此法将更显优越。     

干摩擦阻尼块在叶片减振方面的应用与发展

利用干摩擦对叶片进行减振是一种简单而有效的方法。在叶片缘板下加摩擦阻尼块是一种应用广泛的减振方式 ,近二十多年来 ,许多研究人员在这一领域做了大量的理论、实验研究 ,应用多种非线性分析方法求解带阻尼块叶片的响应特点 ,为阻尼块的最优设计提供了一定的理论依据。本文将从结构模型简化、非线性分析方法、阻尼块优化设计等几个方面加以综述以介绍该领域目前的发展状况 ,试图阐述常用的各种模型及分析方法的优缺点 ,并提出该领域内值得进一步研究的几个问题。     

加工误差对压气机叶片气动性能影响试验研究

压气机叶片在加工过程中不可避免的会产生一定的加工误差。为了研究加工误差对压气机叶片气动性能的影响，设计并加工了4套平面叶栅用于模拟加工中常见的前缘及轮廓误差，并通过平面叶栅吹风试验获取误差影响规律。研究结果表明，前缘形状误差及正轮廓误差使得性能下降，前者使得叶型损失最高增加了23.4%而后者使得叶型损失最高增加了40.1%；此外负轮廓误差使得叶型性能有所提高，最高使得叶型损失降低16.6%。对应的影响规律可以用于提供合理的加工技术要求及制定合理的叶片检测标准。     

纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

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。     

航空发动机组合式弹性片金属密封环结构密封特性研究

为研究航空发动机组合式弹性片金属密封环结构的密封特性,设计和搭建了弹性片结构密封特性实验平台,研究腔室气体压力、弹性片压缩量对弹性片密封结构气体泄漏率和泄漏面积的影响规律。定量描述了气体泄漏量与弹性片压缩量及腔室气体压力的关系,分析了其密封机理。研究结果表明:气体泄漏率随腔室压力增大而线性增大;腔室气体压力使弹性片结构有一定的密封效果,压力越大密封效果越好,同时压力越大弹性片压缩量的增大对密封性的改善效果不显著;在压缩量较小或者腔室压力很低的条件下,接触泄漏和通道泄漏共存;当压缩量增大到0.80mm和腔室压力增大到0.40MPa时,继续增大压缩量或腔室压力对减小泄漏面积作用不大,泄漏面积会稳定在169mm~2,即为通道泄漏面积。     

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。