带凸肩风扇叶片振动特性及设计方法研究

针对涡扇发动机带凸肩风扇叶片,考虑凸肩接触带来的刚度和阻尼的非线性影响,采用Newton-Rapson迭代与多次谐波平衡相结合的方法,研究了结构设计参数对约束模态和振动响应的影响。研究结果表明:凸肩位置是影响叶片整体刚性和共振频率的关键参数,凸肩径向相对位置设计在55%~75%为宜,有利于提高叶片刚度和降低振动变形;轴向位置应靠近叶型质心,以提高凸肩的接触刚度和叶片一阶共振频率;啮合角和初始过盈量主要影响共振应力,而对共振频率影响很小。在此基础上,建立了带凸肩叶片的减振设计流程,首先通过优化凸肩径向位置提高叶片整体刚度,其次通过优化凸肩轴向位置提高低阶模态共振裕度,最后通过优化啮合角和初始过盈量抑制振动应力幅值。     

大涵道比涡扇发动机风扇叶片振动模态分析

对大涵道比涡扇发动机而言,风扇叶片承受较大的离心负荷和振动负荷,振动故障尤为突出。为了研究风扇叶片自身的振动特性,针对风扇叶片进行有限元建模,计算了凸肩自由和凸肩约束两种工作状态下叶片的固有频率和振型。结果表明发动机转速及凸肩状态对叶片固有频率有显著的影响,对大涵道比涡扇发动机风扇叶片的振动特性研究具有重要的参考价值。     

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。      

阻尼器切向接触刚度的有限元分析及应用

提出了一种利用有限单元法求解干摩擦阻尼器接触刚度的方法.利用该方法研究了接触面初始正压力、摩擦系数、阻尼器材料属性和阻尼器接触面半径等对接触刚度的影响规律,发现接触刚度随着这些参数的增大而变大.并通过曲线拟合得到了一定条件下接触刚度随接触面正压力变化的函数关系,为求解带阻尼器叶片非线性响应时实时准确考虑接触刚度随正压力的变化提供了方便.最后,利用所得刚度函数研究了接触刚度对带凸肩叶片非线性振动响应的影响,结果表明:随着接触刚度的增加,叶片峰值频率逐渐升高,振动峰值逐渐减小,且各自都逐渐趋于一个定值.      

带凸肩叶片的断裂故障分析

某型发动机风扇带凸肩的转子叶片发生断裂故障。断口分析表明其为疲劳裂纹特征,其疲劳源在叶盆侧凸肩工作面下侧靠近叶片前缘位置。根据微观分析结论,建立了风扇叶片三维实体模型,利用有限元方法分析了叶片的振动模态。结果表明：叶片在工作时,由于结构的激振可能发生某些阶次的共振,其应力分布与断口分析结果较一致,初步判断叶片是由于共振而发生了疲劳断裂。     

航空发动机风扇叶片凸肩的结构设计

统计了一些航空发动机风扇叶片凸肩的结构参数 ,探讨了凸肩的形状、位置、厚度、紧度、涂层等对叶片振动特性的影响 ,并通过试验对影响振动特性的部分结构参数进行了效果验证     

一种基于模态实验的结合面接触刚度计算方法

在赫兹接触与Greenwood-Williamson(G-W)模型的基础上,推导带系数的接触刚度公式,提出了一种基于模态实验的结合面接触刚度计算方法.通过数值仿真分析获得1阶固有频率与接触刚度系数的关系曲线,结合1阶固有频率的实验结果确定接触刚度系数,进而确定接触刚度公式.应用所得公式仿真计算不同几何模型、不同离心力下系统的1阶固有频率以及激振力作用下系统的振动响应,并与实验数据对比,1阶固有频率的最大误差为1.73%,振动响应的最大误差为9.5%,结果吻合,验证了计算方法的准确性;同时研究了结合面干摩擦阻尼对系统的减振效果,结果显示在1阶固有频率附近,干摩擦阻尼具有明显的减振效果.     

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.      

具有干摩擦阻尼的叶片组振动的理论与实验研究

通过理论分析与实验研究,讨论带凸肩叶片的振动特性及其干摩擦阻尼效应。提出了适用于凸肩干摩擦的局部非线性特点的一种新的降阶方法,定义了无量纲干摩擦阻尼因子,用于度量干摩擦阻尼效果。最后,按照设计的实验方案,对带凸肩叶片组试件做了振动实验研究。     

复合材料风扇叶片-机匣碰摩振动的数值模拟

基于全三维模型的复合材料风扇叶片-机匣碰摩动力学特性的数值研究。建立了复合材料三维风扇叶片-机匣实体有限元模型,考虑叶片离心刚度的影响,机匣由贝塞尔曲面拟合,风扇叶片采用3种不同铺层形式。基于该模型,在机匣二节径变形的情况下,计算了不同铺层叶片在不同转速下与机匣碰摩后的动力学响应。计算结果表明:铺层形式对叶片中、低转速下的碰摩振动形式影响较大,带有90°铺层的叶片的最高振幅及不稳定振动所在区域的转速相对较低,改变铺层形式可以对复合材料风扇叶片-机匣的碰摩动力学特性加以控制。当转速靠近由3倍频与叶片1阶模态造成的共振点附近,或由6倍频与叶片2阶模态造成的共振转速附近时,叶片与机匣的碰摩会导致非稳定振动的产生。该方法与结果对复合材料风扇叶片的碰摩动力学特性研究具有一定指导意义。      

宽弦风扇叶片造型对碰摩振动的影响规律

基于造型叠加建立了参数化的宽弦风扇叶片模型,利用碰摩动力学研究了叶片造型对于机匣碰摩振动的影响规律。宽弦风扇叶片的复杂几何造型可能会增大碰摩的非线性程度,因此有必要研究叶片几何外型对于碰摩响应的影响。在圆柱坐标系下建立了叶片造型和几何参数间的关系,得到了风扇叶片的参数化模型。利用三次样条拟合简化了叶顶间隙的计算,研究了偏心碰摩工况下基准叶片的振动问题,分析了振动响应、涂层磨损、叶片应力三者间的关联性。基于涂层磨损程度判断不同造型叶片的碰摩特性,实现了针对碰摩-造型相关性的快速分析。计算结果表明:叶根通流角可以显著影响叶身长度,进而改变了叶片固有频率调整碰摩共振的中心频率;叶顶扭转角通过改变最小抗弯刚度方向,可有效减小碰摩共振转速区间;相较于前倾叶片,后倾叶片有着更好的碰摩稳定性。      

钛合金宽弦风扇叶片的振动特性

通过模态仿真和模态试验技术分别对某型号TC4钛合金宽弦风扇叶片的振动特性进行研究。采用ANSYS-APDL软件对风扇叶片模型进行模态仿真分析。根据风扇叶片的坎贝尔图以及不同模态的振型分布,识别风扇叶片的弯扭振型。风扇叶片不同转速不同模态下的转速裕度和频率裕度分析显示:第1阶弯曲模态在红线转速下的转速裕度和频率裕度超过20%,表明风扇叶片满足共振裕度要求。在三轴向振动台上利用扫描式激光测振仪,采用敲击法和随机带宽激励的方法测量叶片的响应,分析了风扇叶片不同模态的冲击响应特性和多轴响应特性,发现风扇叶片在周向和轴向激励下的响应以低阶弯曲模态为主,而在径向激励下的响应以扭转和复合模态为主,不同激励位置不同模态的响应特性与风扇叶片的振型息息相关。      

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。      

基于压电纤维复合材料的离心叶轮叶片高阶模态测量

为准确获取离心叶轮叶片的高阶振动特性及其模态,利用压电纤维复合材料(Marco fiber composite,MFC)对离心叶轮叶片进行模态测试。设计了MFC激励系统,提出了MFC选型、激励和测点位置的确定方法,研究了不同信号的高阶模态激励效果,并分析了MFC附加质量和刚度对叶片固有频率和模态的影响;结合有限元仿真结果,对比分析了前20阶振动模态的异同。试验结果表明:MFC具有操作简单、重复性好、信噪比高、能够稳定激励出高阶模态等优势,计算模态与测量模态吻合较好,在第6～8阶与第12～15阶之间存在模态密集区域;MFC附加质量和刚度对实验固有频率的影响低于4%。提出的MFC激励方法可用于具有较高固有频率的航空发动机部件的模态测量。     

航空发动机风扇叶片伸根段造型设计与优化

探索了航空发动机风扇叶片伸根段造型的优化设计方法,利用它在保持叶身气动设计不变的情况下使风扇叶片振动特性得到改善。建立了基于非均匀有理B样条NURBS (non-uniform rational B-spline)桥接曲线的伸根段造型方法,实现气动叶身与榫头侧面间的光滑连接;通过改变桥接曲线控制顶点的位置实现伸根段造型的参数化设计,并在相关假设条件的基础上提取了完全定义伸根段造型所需的8个设计变量;以风扇叶片共振裕度最大化作为伸根段设计目标,在径向基函数网络(RBFN)与粒子群(PSO)算法的基础上建立了伸根段造型优化设计流程,其原理是构造RBFN近似模型来逼近和预测风扇叶片共振裕度与伸根段设计变量间的隐式目标函数,在此基础上使用PSO算法搜索使共振裕度达到最大化的伸根段设计变量组合。结果表明:某大涵道比宽弦风扇叶片采用上述流程,通过优化伸根段造型使风扇叶片轴向一弯模态的自振频率得到提高,与转速3倍频激振间的共振裕度提高约2%。      

裂纹叶片振动特性研究

建立应用传递矩阵法求解裂纹叶片振动特性的方法,以矩形截面裂纹悬臂梁为计算实例,分析了沿叶宽等深度扩展的横向裂纹位置、深度对其弯曲型振动特性的影响。选用方波函数模拟裂纹开合过程,理论分析了裂纹叶片的非线性振动特性。通过裂纹试件实验,对理论研究方法和结果做了验证。提出了叶片裂纹故障在线监测特征量的选择建议     

基于激光多普勒测振的叶片振动特性试验

为了实现叶片振动特性的高精度、多点、非接触测量,对激光多普勒测振原理与应用进行了研究,将激光测振技术引入到叶片振动特性测试中,搭建了1套非接触式声激励测振系统。以某型航空发动机压气机第2级叶片为研究对象,测量出叶片表面153个测点的响应、5kHz内的前5阶固有频率和振型、前3阶应力分布,并将试验结果与有限元分析以及传统振动特性试验采用共振法、模态法获得的振动特性结果进行对比。结果表明:非接触激光测振法可以同时获得叶片高阶模态和全场应力分布,弥补了传统振动特性试验的不足。测得叶片频率与采用共振法、模态法得到的结果相比误差在1%以内,相对应力分布与有限元分析结果基本一致,证明了该新型叶片振动特性试验方法的正确性与先进性。