叶片安装角对叶盘结构受迫响应特性的影响

利用简化的叶盘结构有限元模型和基于极值原理的改进Monte Carlo模拟技术,详细分析了叶片安装角失谐对叶盘结构受迫响应特性的影响.分别对6种不同安装角误差的叶盘结构的受迫响应进行了数值计算,得到了各自对应的响应放大因子概率密度曲线,通过曲线比较,分析了叶片安装角误差对叶盘结构受迫响应特性的影响规律.研究表明:安装角误差虽对叶盘结构的固有频率影响较小,但对叶片受迫响应影响是很大的,并且受迫响应幅值放大因子随安装角失谐程度增加而增加.      

单叶片失谐整体叶盘响应分析

以某型发动机第一级整体叶盘试验件为基础,运用理论计算与试验相结合的方法研究了该整体叶盘在单叶片失谐情况下的响应,得到了失谐叶片与"正常"叶片的前两阶振动幅值和相位.理论与试验分析均表明,该整体叶盘当单个叶片失谐量在15%以内时,一阶附近在某些失谐量下失谐叶片的振动幅值比协调叶片的要大得多,而失谐量对整体叶盘的振动在二阶频率附近的振幅影响不大.     

失谐叶盘结构的概率响应局部化特性

基于某典型叶盘结构的减缩有限元模型和Monte Carlo-响应面法数值计算,详细分析了几何参数失谐叶盘结构的概率响应局部化特性.给出了几何失谐叶盘结构的有限元建模及减缩方法,并通过定义响应放大因子对受迫响应的局部化程度进行定量描述,分别计算了不同形式的随机失谐和主动错频叶盘结构的概率局部化特性,讨论了失谐形式和失谐参数的影响规律等.研究表明,随着失谐程度的增加,失谐系统的响应水平及其分散程度都会有一个峰值存在.      

具有干摩擦散乱失谐的叶盘受迫响应特性

阻尼件是叶盘结构中起减振作用的主要部件,而阻尼件的干摩擦散乱失谐会影响其在叶盘振动中的减振作用。本文利用谐波平衡法与快速傅立叶变换技术,对具有非线性干摩擦力的叶盘受迫响应进行了数学建模,仿真分析了叶盘系统在各种耦合、粘性阻尼比、干摩擦强度、干摩擦散乱失谐程度等参数影响下的受迫响应规律。研究结果显示,叶盘系统在弱耦合和粘性阻尼比较大的情况下,干摩擦散乱失谐会导致叶盘共振幅值显著增大。      

基于光学几何测量的整体叶盘几何失谐建模与辨识

通过光学几何测量技术获取精确的叶片型面差异化信息（即几何失谐）建立整体叶盘的高保真动力学模型的方法，并进一步开展整体叶盘几何失谐辨识的研究。采用先进的三维结构蓝光扫描系统测量构建精确的叶片几何型面点云模型，然后采用网格变形技术，将谐调叶片有限元模型的表面节点自动投射至实测的点云表面，以回避传统逆向工程的实体模型重建环节，从而实现整体叶盘高保真动力学模型的快速构建。该模型可直接用于量化识别叶片几何失谐对其固有频率和振型的影响，其中各叶片“一弯”频率失谐量在2.1%以内，同时可以精确比对各叶片间的模态置信因子，因此可大幅提高整体叶盘建模和动力学仿真分析的准确性。     

失谐叶片轮盘的减缩建模及动力响应预测方法

为解决高保真失谐叶盘计算量大的问题,提出了一种新的减缩建模及动力响应预测方法。该方法对叶盘单扇区有限元模型进行圆周对称分析,获取谐调叶盘在局部坐标系下的基本模态特性。同时,运用主节点的概念,仅对少量节点进行模态分析,在大大降低矩阵维度的同时获取准确的失谐模态特性。在动力响应预测分析时,利用失谐固有频率点处响应的基本特性,仅选取危险频段内、危险叶片上的危险节点进行响应分析计算,既极大地提高了运算效率,又能够准确地获取叶盘最大受迫响应幅值。实例分析结果表明:相较于传统的有限元方法,该方法中模态分析的求逆过程矩阵维度从150万下降到384,计算所得的前50阶固有频率的精度保持在0.005%以内,最大响应计算过程运算量下降超过99%时,仅存在-0.35%的误差。     

叶片平均频率对失谐叶盘振动局部化影响分析

为了探求叶片平均频率对失谐叶盘振动响应的影响规律,采用有限元缩减模型分别对谐调叶盘和失谐叶盘进行振动响应分析,通过振动局部化因子对失谐叶盘振动局部化特性进行评估,获得了不同叶片平均频率和失谐标准差下叶盘系统的振幅和应变能分布,以及失谐叶盘振动局部化特性。结果表明:随着失谐标准差的增大,失谐叶盘振动幅值呈减小趋势,同时共振带变宽;在平均频率为1.0044时出现了严重的振动局部化现象,在失谐标准差为5%时,叶盘振动局部化程度较轻。     

复杂时变激励下失谐叶盘瞬态强迫响应分析

提出一种高效的失谐叶盘瞬态强迫响应分析方法,不同于传统的数值积分方法,该方法推导出瞬态强迫响应的解析表达式,能更为高效地预测失谐叶盘的瞬态强迫响应。首先,对叶盘的高保真有限元模型进行减缩建模,在精确地描述叶盘结构的动力学特性的前提下,极大的减少了模型的自由度数目。其次,模拟加速旋转的涡轮叶盘经过复杂流场时叶片表面上的气动载荷,并建立叶盘固有频率和振型随转速变化的数学函数;通过共振分析确定叶盘共振的转速区间并分析引起共振的激励阶次成分。最后,计算了不同旋转加速度和阻尼下叶盘的瞬态强迫响应,并对叶盘的失谐幅值放大因子进行研究。应用本办法对某86个叶片的涡轮叶盘进行了数值分析,结果表明,相同阻尼水平下,叶盘的瞬态强迫响应幅值随旋转加速度增加而降低,失谐幅值放大因子在瞬态条件下大于稳态条件下,最高可达30%。     

失谐叶栅的受迫振动响应特性分析

采用基于计算流体力学(CFD)方法的降阶气动力模型并耦合结构运动方程,实现了存在外激励载荷时失谐叶栅受迫振动响应的快速分析。针对典型的跨声速叶栅,通过求解其位移响应幅值较系统地研究了失谐方式、失谐强度和叶片质量比对失谐叶栅受迫振动响应幅值的影响。研究表明文中刚度失谐形式可以改善叶栅振动的稳定性,同时导致系统受迫振动响应局部化程度的增加,并且受迫响应的最大振幅放大因子随失谐强度增加或者质量比降低存在先增大后减小的一个峰值,不同失谐形式则对这个峰值的大小有着明显的影响。由于该方法可高效地分析失谐叶栅受迫振动各参数对模态局部化的影响,在工程上有一定的应用价值。     

失谐叶盘受迫响应的灵敏度分析方法

针对失谐叶盘结构的受迫响应与叶片失谐之间的敏感性问题,提出了一种失谐叶盘最大响应幅值分别关于叶片频率失谐参数和叶片节点失谐质量的一阶和二阶灵敏度系数计算方法,以探究叶盘结构失谐参数对其最大响应幅值的影响。该方法立足于高保真失谐叶盘减缩建模和响应分析技术,直接对失谐叶盘结构的动力学方程进行推导获取其一阶和二阶灵敏度系数的数学表达式,未引入任何其他近似和简化计算措施,可以有效地求解高保真失谐叶盘最大响应幅值在不同激励频段、激励阶次和失谐形式下的灵敏度系数。该灵敏度分析方法在大规模高保真失谐叶盘结构模型上验证了其有效性。结果表明,与常规的数值差分灵敏度近似计算方法相比,本文提出的灵敏度分析方法在计算精度和计算效率方面具有巨大的优势,对进一步的失谐叶盘响应分析具有广泛的应用前景和通用性。     

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.      

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。      

叶盘结构盘片耦合振动特性的参数敏感性

在参数化建模、求解的基础上重点研究了叶盘结构盘片耦合振动频率转向特性、由结构参数随机失谐引起的振动局部化特性对结构设计参数变化的敏感性.对盘片耦合振动频率转向特性的研究发现,随着轮盘扇区间耦合刚度或叶片刚度的变化,频率转向间隙曲线的改变具有碗状形式;对振动局部化特性的研究表明,以轮盘扇区间耦合刚度和结构参数失谐强度为自变量的失谐响应放大因子曲面呈类马鞍形;响应放大阈值现象存在与否,与轮盘扇区间耦合刚度的大小直接相关.若选择位于鞍部的轮盘扇区间耦合刚度-失谐强度组合参数设计,失谐响应放大因子最多能够被减小37.5%.      

错频叶盘结构振动模态局部化特性分析

利用"错频失谐(Mistuning)"是进行颤振抑制的有效手段,但是否会导致较大叶盘结构振动局部化是需要进一步研究的问题.本文以典型压气机叶盘结构为例,通过引入实际的两种错频失谐方案,分析研究了谐调和"错频失谐"情况下叶盘结构振动模态特性和模态局部化性质.研究表明,"错频失谐"会引起显著的振动局部化,因此实际叶盘失谐设计中需要综合考虑颤振抑制和失谐振动局部化两方面.      

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。      

整体叶盘结构失谐振动的国内外研究状况

阐述了整体叶盘结构失谐问题,包括模态、响应局部化,局部化因子,失谐叶盘结构分析模型和求解方法,重点对近10年研究的热点问题,如非线性、颤振、灵敏度、气动与结构耦合、失谐识别与预测、失谐优化、“错频”失谐、多级多部件叶盘结构耦合、科氏力、可靠性、稳健性等最新的研究成果做了详细的评述.最后提出了需进一步深入研究的问题,如建立更高效、更高精度、更具适用性的模型,真正采用试验方法对理论仿真模拟进一步地验证,气动与结构耦合以及叶冠间隙和摩擦耦合等因素对多级叶盘共同作用,科氏力产生机理,叶盘对失谐的不敏感度及稳健性等.      

失谐叶盘振动模态局部化定量描述方法

基于实际叶盘结构失谐振动模态局部化的基本特性和物理含义,提出了三种模态振型局部化程度三定量描述方法,并利用这三种模态局部化因子进行了典型叶盘结构失谐振动模态局部化程度的定量确定。讨论了典型叶盘结构失谐振动模态特性。分析说明和实例计算表明,相应的局部化因子计算过程简单、物理意义明确,可以有效定量确定实际叶盘结构的叶片失谐导致振动模态产生局部化的程度。     

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。     

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。