弹性支承黏弹性阻尼-航空发动机薄壁机匣动力学特性分析

面向航空发动机薄壁机匣部件黏弹性约束层阻尼减振分析的工程需求,开展黏弹性阻尼-机匣弹性支承边界模拟和结构动力学分析研究。将机匣进行力学简化为圆柱壳体模型,通过引入一系列人工弹簧,将圆柱壳边界载荷的转化为弹簧的弹性势能,实现了机匣任意边界支撑刚度的有效模拟。结果表明：增大边界刚度可以提高机匣的固有频率,机匣的阻尼特性对支承刚度的敏感性与固有频率相反。此外,在机匣工程设计过程中,可以通过加强支撑结构的环向和法向刚度,获得满意的结构动力学特性。     

Dynamic coefficients and stability analysis of a water-lubricated hydrostatic bearing by solving the uncoupled Reynolds equation

This paper concerns the dynamic characteristics of incompressible laminar flow hydrostatic bearings. An improved method based on the mathematical perturbation technique for calculating the stiffness and damping coefficients of hydrostatic bearings is presented; it raises the calculation efficiency by uncoupling the recess flow continuity equations from the solving of the Reynolds equation. The dynamic coefficients of a water-lubricated four-recess hydrostatic bearing are calculated with both the improved method and the conventional method. The comparisons between these two methods validate the effectiveness and correctness of the improved method. Furthermore, the dynamic response and stability characteristics of a rotor supported by the hydrostatic bearing are calculated and compared with experimental results. First, the dynamic responses calculated with the linear and nonlinear bearing dynamic coefficients models show that the linear model is inaccurate if the rotor whirls in a large eccentricity ratio range, owing to the nonlinearity of stiffness and damping. Second, according to the numerical and experimental results, the nonlinearity of bearing stiffness and damping coefficients could induce double rotational frequency component in the unbalance response frequency spectrum. Finally, the numerical results indicate that the stability threshold speed of the bearing increases with eccentricity ratio. The improved method proposed can be used to evaluate the dynamic performance of hydrostatic bearings efficiently, and the bearing characteristics presented could contribute to a better understanding of the performance of water-lubricated hydrostatic bearings.     

含支承松动故障的弹用涡扇发动机整机振动建模与机匣响应特征

针对某型弹用涡扇发动机结构特点,建立了一种转子-支承-机匣整机模型,对转子与机匣采用有限元梁模型,支承采用集总质量模型,引入支承松动故障模型,利用数值积分方法求解耦合系统的响应.基于机匣加速度信号,研究了对称刚度以及不对称刚度模型下松动故障的冲击特征分析.结果表明:①松动故障所引发的机匣加速度时域波形具有上下不对称性冲击特征以及频谱中出现倍频特征;②仿真计算结果与实际弹用涡扇发动机试车数据时域波形特征以及频谱特征非常一致,而且验证了不对称刚度松动故障模型更适合弹用涡扇发动机的松动故障建模.      

微小型涡喷转子结构热工作稳定性分析及试验验证

针对某型微小型涡喷发动机高速转子进行结构热工作稳定性分析,采取高精度整体动平衡、热态动平衡检查以及必要的结构阻尼和隔热冷却处理进行试验验证.结果表明:转子不平衡量减小,在合适外阻尼作用下转子持续稳定,后轴承隔热屏的安装使转子支承测点平均温度降低,减少了转子支承的热量输入,减轻了热流对支承刚度以及阻尼的影响,改善了发动机转子结构热工作稳定性,提升了发动机整机稳定性和安全性.      

带摩擦阻尼叶片与轮盘耦合系统的振动分析

本文用非比例粘性阻尼等效航空发动机叶／盘耦合系统振动时叶片上凸肩（冠）接触面间产生的摩擦阻尼效应对叶／盘系统固有振动特性及响应特性的影响。利用由滞后弹簧摩擦模型所得到的等效粘性阻尼及等效刚度系数,在局部坐标下建立接触面间的刚度及阻尼矩阵,以分析阻尼对叶／盘系统的减振效应。文中所建立的基本公式、分析方法、由计算所导出的无因次曲线及振型与振动应力分布的后处理云图,可供叶轮机的设计、研制、排故及改型参考。     

基于异频扰动和CFD技术的滑动轴承动力特性系数识别方法

目前CFD技术已广泛应用于滑动轴承的数值仿真中,但还存在两个问题,相对于传统的通过求解Reynolds方程获得流体压力场和油膜力的方法,如何通过CFD计算结果来识别得到动力特性系数,以及CFD方法误差有多大。针对这些问题,本文基于同幅异频位移激励技术,同时充分考虑惯性力、刚度、阻尼交叉项等因素给出了一套适用于挤压油膜阻尼器、可倾瓦轴承、固定瓦轴承等多种模型的动力特性识别方法,应用该方法可以一次性识别出油膜的动力特性系数。通过滑动轴承算例与短圆瓦轴承刚度阻尼理论解进行对比,验证了该方法的准确性。     

某型发动机台架试车机匣工作振型的测试与研究

本文使用应变计对某型发动机临界转速下的机匣振型进行了测试分析,同时也对发动机机匣进行了动态特性理论分析,测试分析与理论计算结果均表明应变计测试机匣的振型是一种有效的测试方法,同时也发动机状态临测和结构修改提供了理论依据。     

航空发动机承力结构系统阻尼减振设计方法

针对典型高推质比涡扇发动机承力结构系统,提出了干摩擦阻尼减振的结构振动控制方法:在不损失支承刚度的前提下,于承力结构上设计具有动力吸振作用的干摩擦阻尼器,增强转子支承结构系统在宽频域内的阻尼特性,实现在工作转速频率内对承力结构振动响应的有效控制。通过理论分析和仿真计算,确定了干摩擦阻尼器结构特征及摩擦接触条件对减振效果的影响规律,并提出了承力结构阻尼减振的设计思路与流程。结果表明:干摩擦阻尼器可通过接触摩擦消耗承力框架的振动能量,合理设计阻尼器的摩擦因数和爪宽将进一步优化减振效果,算例中轴承座局部共振幅值衰减超过1个量级。      

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。      

“O”型胶圈刚度系数、阻尼系数的测定

本文论述了支承在气体轴承上的“O”型胶圈刚度系数、阻尼系数的测试方法和原理。对三种不同胶料制成的“O”型圈的刚度系数和阻尼系数进行了测试,试验值用图綫形式给出。同时考虑了供气压力和“O”型圈安装压缩量对刚度系数、阻尼系数的影响。     

基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法

接触刚度和阻尼是影响螺栓连接的装配结构动力学特性的关键参数,为了实现接触刚度和阻尼的同时识别,在前期开展的螺栓连接结构接触刚度识别的基础上,提出一种基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法。通过在单螺栓连接结构中巧妙引入试验垫片,通过试验获得有界、对称且均匀接触状态下结构的固有特性与动态响应;进而建立模拟接触面刚度与阻尼的薄层单元,并仿真获得结构的动态响应特性;通过结构固有频率测试与仿真结果构建误差函数实现接触刚度识别,通过动态响应测试与仿真结果构建误差函数实现接触阻尼的识别,进而获得接触刚度与阻尼随接触法向力变化的模型。结果表明,接触刚度随法向力非线性增大而接触阻尼则非线性减小,当法向力较大时,接触刚度和阻尼趋于稳定。研究结果为接触刚度和阻尼的同时识别提供了一种行之有效的方法,识别平均误差分别为4.5%、14.8%,所识别的刚度和阻尼以合适的薄层单元形式,可直接应用到包含多接触面的装配系统动力学分析中。     

球面螺旋槽动静压气体轴承的动态特性分析及稳定性预测

以球面螺旋槽动静压气体轴承为研究对象,建立以轴心瞬时位置和瞬时变位速度为参数,球面螺旋槽动静压气体轴承的非线性动态润滑分析计算数学模型.采用导数积分法和有限差分法相结合,数值计算出三维气膜的瞬态扰动压力分布、气膜刚度和阻尼系数.研究转速、偏心率及供气压力对气膜动态特性系数的影响规律.研究结果表明:随着供气压力、转速以及偏心率的增大,气膜刚度和阻尼系数均有不同程度的变化.建立球面螺旋槽动静压气体轴承转子系统稳定性预测模型,根据劳斯稳定性判据预测轴承的稳定性,并将稳定性与主动控制轴承运行时的刚度和阻尼相关联,为遏制轴承失稳提供理论基础.      

转子动力学优化设计

优化设计可以使转子支承系统具有先天优良的转子动力学特性, 优化支承的刚度与阻尼系数是使转子支承系统获得优良动力学特性的有效途径。本文采用传递矩阵-拟模态综合法分析转子支承系统的动力特性-临界转速、不平衡响应以及对支承动力参数灵敏度分析, 进而对支承动力参数作优化设计。本文所提出的方法已经过算例、模型试验及工程应用的证实。      

弹性环金属橡胶支承结构刚度设计与试验验证

 弹性环金属橡胶阻尼器(MRD/ER)是本文提出的一种有别于传统挤压油膜阻尼器的新型无油润滑转子弹性支承阻尼结构,其支承刚度主要来源于弹性环和金属橡胶,并利用金属橡胶阻尼元件提供结构阻尼。该结构具有良好的线性支承刚度且对转子振动阻尼减振效果明显,其限幅凸台限制转子系统可能出现的过大振幅,保证系统安全可靠。本文对该种弹性阻尼支承结构进行结构和动力学设计,并通过刚度阻尼性能仿真计算以及相应的试验进行验证,结果表明:在准静态试验中,阻尼器的组合刚度在大变形范围内具有良好的线性特征且具有稳定的阻尼性能;在动态试验中,结构动刚度随激振频率的增加而减小,在宽频域内具有较大的阻尼系数。     

壳体动响应阻尼系数的ALE数值反演研究

圆柱壳体作为航空航天工程中的主要结构构形,对其在空气中运动的阻尼特性进行研究具有重要意义。首先运用有限元软件LS-DYNA的任意拉格朗日欧拉算法（ArbitraryLagrangian-Eulerian,简称ALE）模块对不同几何尺寸的圆柱壳体在空气中的运动历程进行动响应计算分析,并通过不同尺度大小空气域对数值计算的准确性进行验证;然后采用粘性阻尼模型模拟空气作用,用Isight优化软件进行最佳逼近,反演出与空气对圆柱壳体作用等效的质量阻尼系数和刚度阻尼系数,并应用于加筋模型和缩小尺寸模型进行验算。结果表明：用反演系数计算的结果和ALE结果吻合良好,质量和刚度的改变对阻尼系数没有明显影响。     

某航空发动机机匣的动力学模型修正

利用动力学模型修正技术对某航空发动机机匣的有限元模型进行了修正.通过振动模态测试得到了实际机匣的模态数据用以作为有限元模型 修正的基准.利用频率对单元刚度的灵敏度分析选定了修正区域.在此基础上,应用1阶优化方法对机匣的有限元模型进行修正.研究结果表明:修正后机匣有限元模型的前10阶模态的计算值与实际测试的误差都在29%以内,可以应用在后续的发动机整机动力学分析等方面.      

锥形间隙孔型阻尼密封动力特性分析及抑振机理

应用非定常动网格技术建立了锥形间隙孔型阻尼密封动力特性多频椭圆涡动求解模型,研究了锥形度和涡动频率对孔型阻尼密封泄漏特性与动力特性的影响,分析了锥形间隙孔型阻尼密封的抑振机理。结果表明:锥形间隙增强了孔型阻尼密封的泄漏直通效应,增加了密封泄漏量。在平均间隙相等的情况下,收敛间隙孔型阻尼密封泄漏量小于发散间隙孔型阻尼密封;在同一涡动频率下,刚度系数随着锥形度的增加而增大,阻尼系数随着锥形度的增加而减小;收敛间隙孔型阻尼密封具有较大的正直接刚度,增加了转子系统的固有频率,发散间隙孔型阻尼密封产生较大的负直接刚度;收敛间隙孔型阻尼密封具有较大的有效刚度和穿越频率,较小的有效阻尼,发散间隙孔型阻尼密封具有较大的有效阻尼,较小的有效刚度和穿越频率;在锥形间隙孔型阻尼密封结构设计时,需要同时考虑转子系统固有频率和同心度的影响。      

机匣螺栓连接分区域薄层单元建模方法

机匣连接的螺栓预紧力大小对其动力学特性影响较大。为更准确反映其接触刚度随预紧力的变化情况,采用分区域薄层单元方法代替螺栓连接部分,并基于螺栓连接超模型刚度理论、赫兹接触理论以及M-B分形模型,推导出不同螺栓预紧力下分区域薄层单元的弹性模量,模拟机匣连接部分的轴向接触刚度,给出螺栓连接机匣简化建模方法。并以1个螺栓连接试验机匣为例,对比在不同螺栓预紧力下机匣仿真频率与模态试验频率,最大误差仅为2.83%。结果表明:分区域薄层单元建模方法能够有效地对不同预紧力下的螺栓连接机匣进行简化建模。     

基于实测频响函数反推管路卡箍支承刚度与阻尼

为了有效创建航空发动机管路系统动力学模型,需要获得动载荷作用下管路卡箍支承刚度及阻尼。提出一种基于实测频响函数(FRF)反推卡箍支承刚度及阻尼的方法。确定了针对单管路双卡箍支撑系统的反推辨识流程;利用自编有限元创建了该管路系统的动力学模型,并给出了求解频响函数的方法;进一步,提出了基于灵敏度的卡箍支承刚度和阻尼反推辨识算法;以典型管路卡箍为例,用所提出的方法辨识出了该卡箍的支承刚度和阻尼。将辨识值回带到理论模型中,发现仿真及实测固有频率及相对应的频响函数偏差均小于9%,从而证明了研发的辨识方法的合理性。另外,辨识结果也表明卡箍的刚度及阻尼具有频率依赖性,且水平及竖直方向存在差异。      

双层模型机匣和叶片的包容性问题数值模拟

采用显式动力分析有限元技术,研究了飞断叶片模型与机匣模型的撞击过程,并且计算了不同类型机匣模型包容情况下的临界转速。计算结果表明,双层机匣模型的包容能力明显地优于单层机匣模型,间隙情况对双层机匣模型的包容能力有一定的影响。研究结果对多层航空发动机机匣的包容性设计有一定的参考价值。