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.      

科氏力对失谐叶盘振动特性的影响分析

利用有限元方法和商用软件ANSYS11.0建立考虑旋转效应的实际叶盘结构有限元模型,得到系统刚度、质量和阻尼矩阵;计算了科氏力和离心力对谐调叶盘频率特性和谐响应特性的影响规律;分析了科氏力和离心力对失谐叶盘模态局部化和响应局部化的影响。研究表明,科氏力对实际叶盘结构的频率影响明显,对失谐叶盘结构的模态局部化、响应局部化和响应分布也都会产生显著影响,在工程计算中应予以考虑。     

一种基于叶盘结构几何失谐的降阶分析方法

叶片几何失谐严重影响叶盘结构的振动特性。为了准确且高效地对存在叶片几何失谐的叶盘结构进行振动分析,基于扇区建模方法,由动力学方程推导出降阶模型的表达式,利用该降阶方法对整个几何失谐叶盘结构分别进行模态分析和受迫响应分析,并与有限元方法进行固有频率和受迫响应结果的对比。结果表明:该降阶方法得到的结果与有限元方法得到的结果基本一致,验证了该方法的有效性和实用性。     

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%。     

用于失谐叶盘动力学特性分析的减缩计算方法

提出了一种用于失谐叶盘动力学特性分析的减缩计算方法.该方法采用基于周期对称的谐波平衡法,建立非线性的迭代方程,能够基于单扇区的矩阵求解整个失谐叶盘的强迫响应,且不存在任何截断误差,因而效率高于部件模态综合法但精度并不降低.从周期对称结构理论出发给出了方法原理的数学推导,在此基础上通过一个失谐叶盘有限元模型算例对该方法的效率与精度进行了讨论.结果表明:相较部件模态综合法,周期对称谐波平衡法矩阵维度减小59.5%,计算复杂度减少93.4%,计算时间节省57.4%.     

失谐叶盘系统避共振可靠度评估方法

基于振动设计理论,考虑失谐叶盘系统激振频率和模态频率的相关性,提出了1种航空发动机失谐叶盘系统避共振可靠度的计算方法。通过确定性分析和概率分析说明了失谐会增加叶盘系统避共振难度,并得到叶盘系统模态频率的概率分布特性。在此基础上,运用所提出方法,拟合得到失谐叶盘系统的避共振可靠度响应面,进而用该响应面计算不同结构谐波系数下失谐叶盘系统避共振可靠度。将计算结果与蒙特卡洛法及未考虑激振频率和模态频率相关性的传统方法的结果进行对比,验证了所提出方法在失谐叶盘系统避共振可靠性分析中的准确性。     

刚度随机失谐叶盘结构概率模态特性分析

基于典型叶盘结构的集中参数模型和Monte Carlo数值计算,分析了刚度随机失谐叶盘结构的概率固有特性.给出了叶盘结构的扇区两自由度集中参数模型,计算并说明了其基本频率结构特性,根据叶盘结构模态振动物理背景,提出了一个定量表征模态振型局部化程度的指标一模态局部化因子,分别计算了不同随机刚度失谐叶盘结构固有频率和模态振型局部化的统计特性,讨论了失谐因素的影响规律等.研究表明,叶片和耦合刚度的失谐影响的频率区间有着明显的不同,并在其影响频段内模态局部化因子会出现"突变"的现象.      

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.      

一种基于响应信息的整体叶盘结构失谐识别方法

以谐调叶盘有限元模型解析模态和真实失谐结构的稳态响应作为基础信息,提出一种整体叶盘结构失谐识别方法。该方法基于公称模态子集（SNM）降阶技术,降低了识别过程的计算花费以及对基础信息量的要求;采用子矩阵型技术使得失谐参数定义更加自由,并使得该方法具有模型修正的功能;直接利用实测的稳态响应数据作为输入参数,并且不需要施加在结构上的外力信息,提高了基础数据可靠性并有效降低了实际测量的难度。最后以一个整体叶盘结构的仿真分析证明了该方法的有效性。     

主动失谐叶盘振动特性及鲁棒性研究

由于随机失谐的存在,实际叶盘通常一定程度地偏离设计值,其动力学特性通常因此而发生较大改变。以某型航空压气机高保真叶盘模型为例,采用失谐叶盘减缩建模方法,对不同阶次激励下的随机失谐叶盘响应特性进行了统计分析。研究表明:叶盘最大响应随着随机失谐值的增大呈先急剧上升后下降并趋于稳定趋势,表现"阀值"效应。此外,将失谐作为设计参数,着重研究了常见的主动失谐叶盘的响应特性,可见主动失谐叶盘相较于同等失谐程度的随机失谐叶盘具有更小的响应幅值。最后,分析了主动失谐叶盘对随机失谐的鲁棒性。     

随机失谐叶盘结构失谐特性分析

为研究失谐叶盘结构最大的强迫响应幅值及最坏失谐模式,提出了运用遗传算法和序列二次规划混合优化方法确定失谐叶片最大的幅值放大系数及相应最坏失谐模式的通用方法.揭示了失谐跳变-局部化现象,构建了与振动响应局部化直接关联的表达因素.失谐敏感度分析表明,失谐叶片最大的幅值放大系数随失谐强度的增加而增大,并在失谐强度上界处取得极值,并没有所谓的失谐"阈值"现象.      

周期对称性在失谐叶盘瞬态响应求解中的应用

提出了利用周期对称性仅使用一个扇区进行失谐叶盘瞬态响应分析的方法,给出了其理论和算法实现过程。该算法的核心思想是将失谐部分移至运动方程的右端作为非线性激励,将失谐问题转化为谐调非线性问题,并采用迭代法或预测位形法进行非线性响应的求解,以单自由度（DOF）系统验证时域推进方法的有效性。最后使用简化失谐叶盘的有限元模型验证了该方法的有效性。结果表明:采用扇区模型可将自由度数从3888减少至324,而每一时间步仅需2~3次迭代即可收敛,扇区模型与整体模型计算结果吻合良好,最大幅值误差为0.14%      

基于高保真有限元模型失谐叶盘受迫响应的统计特性

采用极值理论分析失谐叶盘最大受迫响应的统计特性并应用于某压气机叶盘上。对失谐叶盘进行减缩建模,运用蒙特卡洛方法模拟响应计算,研究不同激励阶次下最大响应放大因子的分布特性。采用极值理论对最大响应放大因子分布进行统计学建模,以极大似然估计方法求解未知参数,进行分布拟合,并采用K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验方法检验各分布函数拟合的好坏程度。对某压气机叶盘进行失谐响应统计特性分析,对比了7种分布函数对最大响应放大因子的拟合效果,结果表明:极值分布、二参数威布尔分布、正态分布、对数正态分布和伽马分布拟合效果较差;常用的三参数威布尔分布不如广义极值分布的拟合效果好。因此,说明广义极值分布更能准确地描述失谐叶盘动力响应的统计特性。      

Mistuned bladed disk forced vibration analysis based on standing wave formulation

Forced vibration analysis including a vortex lattice prediction given an external aerodynamic force is conducted in this paper based on a standing wave formulation. The starting point of the standing wave formulation is a set of blade disk normal modes that incorporate all forms of the blade, disk, and shroud elastic coupling. The Küssner gust function was used in a few previous investigations of forced vibration based on the standing wave formulation. However, it was found to be valid only for low engine-order excitation. Therefore, a two-dimensional unsteady vortex lattice method is employed in this paper to predict the gust excitation up to higher engine-order excitation. Thus, the present unsteady vortex lattice analytical model is capable of capturing compressibility and higher engine-order excitation. It features advantages in terms of its computational time and level of accuracy. The effects of mistuning a cascaded blade are also examined in the present aeroelastic analysis to determine the possible advantages obtained by doing this. Numerical results for the mistuned bladed disk are presented regarding its forced response characteristics. In a low engine-order excitation condition, it is shown that similar predictions are obtained between the present and earlier analyses. The maximum discrepancy in the blade amplitude is 70% for a single-blade mistuned rotor and 62.6% for an alternately mistuned rotor, in the worst case, compared to a completely tuned rotor. Single-peak frequencies are presented and analyzed in the higher engine-order excitation levels.     

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。     

涂敷硬涂层的失谐整体叶盘减缩建模及振动分析

为了提高整体叶盘的服役寿命,提出一种对叶片涂敷硬涂层的减振方法。同时,针对失谐叶盘-硬涂层复合结构的运算规模庞大的难题,提出了一种双重减缩建模方法。利用一种改进的混合界面子结构(HISCMS)法对复合结构进行第一重的自由度减缩。利用一种模态密集判别准则与经典模态减缩(SNM)法的思想对综合后的模型进行第二重的模态减缩。选取了对叶片双面涂敷NiCoCrAlY+YSZ(yttria-stabilized zirconia,氧化锆) 硬涂层的失谐叶盘进行仿真分析及试验测试,以探究失谐叶盘的振动情况以及硬涂层厚度对失谐叶盘的影响。结果表明:双重减缩建模方法能够在保证计算精度的前提下提高25.86%~42.05%的计算效率;而且硬涂层表现出较强的阻尼作用,能够在共振区显著抑制失谐叶盘的共振响应。