双周期压电网络用于叶盘结构振动抑制的研究

以整体叶盘振动抑制为目的,利用压电材料在叶盘结构不同扇区形成异周期系统,并将与压电材料连接的外部电路并联或串联形成不同形式的网络,建立该机电耦合系统的动力学方程,分析其对叶盘结构动力学特性的影响效果。研究发现,双周期压电网络对叶盘结构的频率影响很小,在本文所研究的叶盘结构模型的参数变化范围内仅对频率转向区有轻微的影响,变化最大只有2%;但是双周期压电网络会对叶盘结构的模态振型产生很大的影响,会使原各阶单一节径振型变为多节径振型,节径种类数跟双周期数有关;压电网络还会把机械位移转化为电荷位移;同时压电网络中电阻元件的引入提高了系统的模态阻尼比。这些都会对叶盘结构的振动响应起到很好的抑制效果。最后,采用修正的模态置信因子MMAC对双周期压电网络系统进行了振动抑制特性的评估,结果表明,通过对结构系统双周期数的设计能有效提高振动抑制效果。     

涡轮机械叶片的流固耦合数值计算方法

发展了一种流固弱耦合数值方法来判断涡轮机械叶片气弹稳定性.通过一种数据交换方法将计算结构动力学(CSD)的节点振动位移施加到计算流体力学(CFD)的叶片表面网格点上,CFD分析采用多层动网格技术实时更新可动域的网格点坐标,并通过有限体积法求解了用k-ε湍流模型封闭的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程.以NASA 67转子叶片为例,在设计状态下,对比了叶片前4阶模态下一个振动周期内的气动功及模态气动阻尼比,初步分析了叶片的气弹稳定性.计算结果表明:所发展的流固弱耦合数值方法用于判断涡轮机械叶片气弹稳定性是可行的.      

篦齿封严结构气弹稳定性数值分析

针对航空发动机中篦齿封严装置的气弹稳定性问题,用所发展的气弹稳定性分析的能量法,考查了两种不同的篦齿封严结构模型的颤振特性,对比分析了在不同节径振动下的气动功分布和模态气动阻尼比。结果表明:能量法可以用于预测篦齿封严结构的气弹稳定性,通过数值计算给出了改进前后篦齿封严结构低阶振动模态的气动功和模态气动阻尼比,改进后的篦齿结构在2节径振型下不再发生颤振,说明改进后的结构比改进前的气弹稳定性更好。      

基于能量法的跨声速风扇叶片气弹稳定性研究

基于能量法原理,采用弱耦合的方法对跨声速风扇叶片进行气弹稳定性分析;采用3维线性插值算法编程实现CSD/CFD数据交换。利用有限元法计算叶片的模态振型和固有振动频率;应用FLUENT动网格技术,对NASA R 67风扇叶片在不同模态振动下的非定常流场进行数值模拟,给出在前3阶模态振动下叶片表面的周期累积气动功和气动阻尼,并探讨了激波对跨声速风扇叶片气弹稳定性的影响。     

非周期压电阻尼对失谐叶盘结构振动局部化抑制机理

将非周期压电阻尼技术引入失谐叶盘结构形成机电耦合系统,推导了机电耦合系统的动力学方程,从理论上分析了非周期压电系统对失谐叶盘结构振动局部化的抑制效果。构造了两种非周期压电系统模型:非周期压电分支模型和非周期压电网络模型。研究结果表明:与双周期压电网络系统相比,按照能量集中的程度不同连接而成的非周期压电系统具有更好的振动局部化抑制效果。在非周期压电网络系统的构造中,电阻不再是关键因素,而主要是通过电路形式改变整个叶盘结构中的能量分配情况,电感作为储能元件在其中至关重要。通过合理设计非周期压电网络电路形式,可以得到比非周期压电分支系统和双周期压电网络系统更好的振动局部化抑制效果。      

具有半主动压电阻尼的叶盘结构动力学特性研究

针对航空发动机整体叶盘结构的失谐响应放大问题,在叶盘结构中引入半主动压电阻尼技术,并利用基于非线性模态分析的非线性系统频域响应快速算法-非线性部件模态综合(NCMS)法对具有基于负电容的同步开关阻尼(SSDNC)的叶盘结构动力学特性进行理论探究。分析结果表明NCMS法相比于Newmark法具有很高的计算效率,并能保证较高计算精度;SSDNC能够同时对叶盘结构的多阶振动模态都产生较好的抑制效果,并对多谐波激励下叶盘结构的所有振动峰值都产生较好的抑制效果(对于本文所用模型,振动峰值下降可达到73%);统计分析表明,SSDNC的振动抑制效果对叶盘结构机械失谐以及电路参数失谐均不敏感。     

频率失谐对跨声速压气机气弹稳定性的影响

为了深入理解频率失谐对跨声速压气机气弹稳定性的影响,基于能量法建立了跨声速颤振实验转子的全周气动阻尼计算模型,数值分析了转子叶片频率交替失谐、随机失谐以及线性失谐对其气弹稳定性的影响。数值计算了该转子的气动性能,颤振边界和叶片模态,其结果和实验数据吻合较好;研究不同模态、不同叶片间相位角条件下谐调转子的气动阻尼,结果表明叶片间相位角对叶片气动阻尼均有较大的影响,尤其在一弯模态下,叶片气动阻尼对叶片间相位角最敏感;对该转子所有叶片的平均气动阻尼而言,失谐的存在弱化了叶片间相角对叶片气动阻尼的影响,显著提高了该转子最不稳定状态的平均阻尼达到7~11倍,反之使其最稳定状态的平均阻尼降低约50%;失谐转子中不同叶片的气动阻尼表现出显著差异,其受叶片局部失谐模式及失谐量的影响较大。     

转子叶片气弹稳定性与强迫响应分析

针对由叶轮机械转子叶片流致振动引起的叶片高循环疲劳失效的突出问题,采用数值模拟方法对叶片流致振动特性进 行预测分析。常见的流致振动问题包括气弹稳定性和强迫响应,分别以压气机和高压涡轮转子叶片为例给出了气弹稳定性和强 迫振动响应的分析方法及其流程。对于压气机叶片,采用能量法和特征值法进行了气弹稳定性计算。结果表明：气弹稳定性结果 相互吻合,在高阶模态下的气动阻尼比在低阶模态下的更小,根据振型特征确定危险点位于叶尖近前缘和近尾缘部位,在该部位 可能导致叶片掉角;对于高压涡轮叶片,分析了其强迫振动响应特征。结果表明：叶片非定常气动激励主要来源于上游导叶,在设 计状态下其频率距离转子叶片第5阶模态频率较近,并对危险模态阶次的共振应力进行分析,在0.14%阻尼下振动应力最大可达 134 MPa。     

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.      

风扇转子叶片防颤改进设计

通过能量法对某两级跨声风扇试验件原型方案进行气弹稳定性预测,对气弹不稳定转子几何造型进行修改以提高气弹稳定性。通过对原型和改型方案的几何造型、气动性能和振动特性以及气弹稳定性对比分析表明:改型方案最小模态气动阻尼比由-146提升至183,消除了颤振风险,同时风扇气动性能保持不变且对原方案改动量较小。增加厚度、弦长使叶片相应径向位置的气弹稳定性增加,是改善颤振的有效手段,但是需要关注风扇气动性能变化。在相同槽道堵塞裕度降低量条件下,调整厚度分布提升气弹稳定性幅度最大。     

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%。     

用于叶片减振的压电材料分布拓扑优化

提出一种可用于实际叶盘结构的压电分支阻尼器拓扑优化方法,可以给出总质量受约束的压电材料在叶片上的最佳分布,达到尽可能大的模态阻尼比。通过理论推导说明:压电阻尼器所产生的模态阻尼比仅取决于模态机电耦合系数,且该系数只与压电材料的几何形状以及模态应力场有关。进一步结合压电本构关系,基于应力分量的线性加权给出了有限的压电材料在叶片上铺设位置“优先级”的判断指标。给出了基于叶盘结构有限元模型的压电材料拓扑优化方法,通过替换单元类型和材料参数的方式对压电材料进行布置,并给出了多模态族优化、极化方向设置、电极铺设等问题的解决方案。在一个接近真实的叶盘模型上应用了此优化方法。结果表明,仅使用质量占叶片质量10%的压电材料,就可以为多个模态提供约12%的阻尼比。      

失谐流体激励下叶盘结构响应特性

对非均匀静子叶片分布影响下的失谐流体激励叶盘结构响应特性进行研究.首先推导叶盘结构强迫共振条件与流体失谐设计理论;其次对工程叶盘结构响应分析的模态减缩方法和精细积分法进行理论描述;最后给出数值算例,对谐调和失谐流体激励特性和实际工程叶盘的响应特性进行研究,分析流体失谐设计方法对叶盘强迫响应的影响.在响应特性计算中,通过有限元方法得到叶盘的系统质量、阻尼和刚度矩阵后,利用MATLAB软件编制程序进行响应特性分析.      

气流激励下叶片振动响应分析方法

为开展气流激励下叶片振动响应分析方法研究,建立了气动激振力预估方法,采用非线性谐波法对叶排进行三维非定常流动分析,获得叶片表面的脉动压力,编制流固转换程序,计算叶片所受的气动激振力。建立了叶片气动阻尼分析方法,基于能量法和弱耦合分析法,对叶片与流场进行流固弱耦合分析,将气动力对运动的叶片所做的气动负功等效为黏滞阻尼力所做的功,求得转子叶片的模态气动阻尼比。建立了叶片在气流激励下的振动响应分析方法,基于气动激振力和叶片模态气动阻尼比,采用模态叠加法分析叶片振动响应。使用该方法,针对发动机中1.5级压气机转、静子叶排模型,计算了转子叶片在真实流场中的气动激振力、前8阶模态气动阻尼比以及在气动激振力与气动阻尼共同作用下转子叶片的振动响应,振动应力达到100 MPa。      

考虑盘片耦合的缘板阻尼器减振性能分析方法

叶盘结构趋于轻薄,盘片耦合振动不能忽略。本文旨在揭示缘板阻尼器对叶盘不同节径模态减振性能的影响规律。建立了考虑缘板转动的叶盘-缘板阻尼器集中参数模型,采用结合解析雅可比矩阵的多阶谐波平衡法求解稳态响应,利用非线性周期减缩技术,在不损失精度的情况下使计算效率提高至少3倍以上。研究结果表明,针对叶片主导的一阶弯曲模态,缘板阻尼器总体上对节径数越高的模态阻尼效果越好,但在盘片耦合区阻尼效果显著下降,约为25%至50%;此外,忽略缘板的转动效应可能导致对阻尼器减振效果高估约70%至100%。     

上下游叶排对压气机转子叶片气动弹性稳定性的影响

使用自行开发的流固耦合程序集,分别考虑压气机上下游叶排的影响对转子叶片气动弹性稳定性进行分析.使用全环气动弹性模型通过叶片在非定常流场中振幅随时间的变化历程计算转子叶片不同振型下的气动阻尼,分析了不同的叶排轴向间距下尾迹和势干扰对气动阻尼的影响规律.通过将考虑转静干涉效应的气动阻尼与单转子的结果作比较,总结了转子-静子结构和导叶-转子结构的干涉作用对转子叶片颤振特性的影响规律.结果表明:对于1阶弯曲模态,转子叶片气动弹性稳定性不随轴向间距单调变化;上游尾迹干涉作用和下游静子势干扰的增强会加剧1阶扭转模态失稳,但是却促进1阶弯扭耦合模态气动弹性稳定.      

Research on vibration suppression of a mistuned blisk by a piezoelectric network

The work aims to provide a further investigation of the dynamic characteristics of an integral bladed disk(also called ‘blisk') with a Parallel Piezoelectric Network(PPN). The PPN is constructed by parallelly interconnecting the piezoelectric patches distributed in the blisk. Two kinds of PPN are considered, namely mono-periodic PPN and bi-periodic PPN. The former has a piezoelectric patch in each sector, and the later has one patch every few sectors. The vibration suppression performance of both kinds of PPN has been studied through modal analysis, forced response analysis, and statistical analysis. The research results turn out that the PPN will only affect mechanical frequencies near the electrical frequency clusters slightly, and the bi-periodic PPN will make the nodal diameter spectrum of the modes more complex, but the amplitude corresponding to the new nodal diameter component is much smaller than that of the nodal diameter component corresponding to the mono-periodic system. The mechanical coupling between the blades and the disk plays an important role in the damping effect of the PPN, and it should be paid attention to in applications. The mono-periodic PPN can effectively suppress the amplitude magnification of the forced response induced by the mistuning of the blisk; meanwhile, it can mitigate the vibration localization of the mistuned electromechanical system. If piezoelectric patches are set only in part of the sectors, the bi-periodic PPN still has a vibration suppression ability, but the effect is related to the number and spatial distribution of the piezoelectric patches.     

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。