叶片/叶盘摩擦阻尼结构的非线性模态分析综述

概述了非线性模态的理论基础以及非线性动力学分析的一般数值方法;进而针对含干摩擦非线性环节的结构,总结了阻尼非线性模态的相关研究进展;在此基础上,重点综述了国内外近十年来采用阻尼非线性模态数值方法在航空发动机带冠叶片、缘板阻尼器、叶根阻尼与干摩擦阻尼环分析与设计中的应用;列举了目前用于验证非线性模态的先进试验技术。提出了非线性模态在干摩擦阻尼结构动力学分析中亟需解决和关注的若干问题。研究表明:非线性模态逐渐从理论研究阶段过渡到工程应用阶段。结合模型降维技术,阻尼非线性模态已经可用于提取带干摩擦阻尼叶片/叶盘高保真有限元模型的模态特征。拓展能量平衡法与非线性模态综合法搭建了非线性模态与稳态响应的桥梁,可以显著提升基于响应的参数分析效率。非线性模态试验技术的研究处于起步阶段,尚无法应用于工程复杂结构。      

干摩擦阻尼块在叶片减振方面的应用与发展

利用干摩擦对叶片进行减振是一种简单而有效的方法。在叶片缘板下加摩擦阻尼块是一种应用广泛的减振方式,近二十多年来,许多研究人员在这一领域做了大量的理论、实验研究,应用多种非线性分析方法求解带阻尼块叶片的响应特点,为阻尼块的最优设计提供了一定的理论依据。本文将从结构模型简化、非线性分析方法、阻尼块优化设计等几个方面加以综述以介绍该领域目前的发展状况,试图阐述常用的各种模型及分析方法的优缺点,并提出该领域内值得进一步研究的几个问题。      

基于压电纤维复合材料半主动干摩擦阻尼器的设计与实验研究

针对薄壁结构的振动问题,设计了一种铺设压电纤维复合材料(Macro-Fiber Composite,MFC)的波纹形柔性干摩擦阻尼器.介绍了波纹形半主动干摩擦阻尼器的结构形式和驱动原理.通过准静态试验探究了阻尼器在不同电压序列下输入电压与输出正压力的关系,揭示了MFC驱动变形的迟滞非线性,并据此提出了局部线性化的驱动方案,规避了迟滞非线性给正压力控制带来的挑战.在此基础上,对安装上述阻尼器的悬臂梁结构开展了振动试验.结果表明,在设计工况下该阻尼器的减振效果良好,质量占比仅为5%的阻尼器即可使振动峰值下降79%;该半主动干摩擦阻尼器显著拓宽了有效工作范围,当振动水平为设计工况的9倍时,通过MFC驱动调控正压力,减振比例仍可保持在约75%,避免了阻尼效果的大幅衰减.     

干摩擦阻尼器对宽频多阶次激励减振效果分析

在对干摩擦阻尼非线性系统响应求解的高阶谐波平衡法、摩擦力时域求解的时间推进法以及时频转换（AFT）法中的关键技术进行介绍的基础上,采用将时频转换法与高阶谐波平衡法相结合的方法对典型航空发动机叶片缘板阻尼器宽频多阶次激励的减振效果进行计算与分析.通过与直接积分法获得的结果进行对比,表明该方法具有较高的计算精度,且计算效率远远高于直接积分法.对比了保留不同谐波阶次时的计算结果,说明对航空发动机中宽频多阶次激励下的干摩擦阻尼系统进行分析计算时需要保留非线性力的高阶谐波成分,才能获得准确的结算结果.干摩擦阻尼器对于不同频率成分激起的共振峰值的最优正压力值不同,实际中应针对激振频率带宽及具体的减振需求,对阻尼器的设计参数进行优化设计,使得系统在整个工作频带上振动响应最小.      

薄壁结构干摩擦阻尼减振设计分析

加装干摩擦阻尼结构是航空发动机薄壁结构有效的减振手段。为提供工程可用高效的减振设计工具,建立了一种薄壁结构干摩擦阻尼减振设计的分析方法及流程。给定薄壁结构的振动应力,针对不同的减振结构采用恰当的干摩擦接触模型,基于能量耗散,计算干摩擦减振结构接触面所能提供的等效阻尼比,获得在所关注模态下减振结构所能提供的等效阻尼比随主结构考核点振动应力变化的阻尼特性曲线。减振设计阶段目标为共振发生时,在结构许用振动应力下,减振结构能提供最优的阻尼比。对4种常用的干摩擦阻尼结构进行了减振设计分析,结果表明：平板式缘板阻尼器优化质量为1.2 g、涡轮叶片锯齿冠优化预扭角为0.5°（取许用振动应力50 MPa）时可得最佳阻尼效果;矩形截面阻尼环径向厚度和裂式阻尼套筒轴向长度在设计范围内取值越大,阻尼效果越好。     

缘板摩擦阻尼器的减振实验研究

对叶轮机叶片缘板金属摩擦阻尼器进行了实验研究。着重研究了摩擦阻尼器对叶片的一阶弯曲振型的影响。研究表明,利用金属摩擦阻尼器可以有效地降低叶片的振动;通过合理选择阻尼器的质量(即正压力),可以最大限度地降低叶片的弯曲振动应力,即存在一最优正压力;并且随着激振力的增加,这一最优正压力也将随之增加。因此,它是叶轮机械中一种非常简单有效的减振措施。      

带干摩擦阻尼结构叶片振动响应试验

建立了非旋转状态叶片试验系统,正压力加载方案可实现连续调节并较准确测量接触压力.利用该试验系统,对不同接触紧度,接触角度带冠叶片的振动特性及响应进行测试,结果表明带冠叶片出现了共振频率分叉的非线性现象.通过试验分析叶冠接触面紧度,接触角度等重要参数对带冠叶片振动特性和减振效果的影响规律,结果显示接触角度应根据振型综合考虑接触面间相对运动在切向和法向两个方向分量的比例关系进行选取.      

带冠涡轮叶片干摩擦阻尼减振试验研究

为验证某型真实带冠涡轮叶片叶冠干摩擦阻尼减振效果,本文建立了可实现正压力连续调节的非旋转状态涡轮叶片试验系统,对不同接触紧度、不同接触角度的真实带冠涡轮叶片的振动响应进行了测试。通过试验分析了叶冠接触面紧度、接触角度等重要参数对带冠叶片振动特性和减振效果的影响规律,结果表明：带冠涡轮叶片出现了明显的非线性现象,同时存在一个最优的接触紧度使得该带冠涡轮叶片的减振效果最佳。接触角度的选取应综合考虑叶冠振动能量的消耗能力和带冠涡轮叶片共振频率的稳定性。     

考虑库仑阻尼时叶盘系统振动响应的求解方法

本文研究了具有干摩擦阻尼的带冠叶盘系统振动响应的求解问题。解决了时频法中由于叠混和泄漏而使迭代发散的问题。最后用时频法获得了令人满意的响应计算结果。     

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。     

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。      

缘板阻尼结构减振特性的影响因素分析

基于简化的叶片-缘板阻尼结构模型,开展缘板阻尼结构干摩擦阻尼减振特性的计算分析。阐述了谐波平衡法预测叶片响应的基本原理,并提出了一种基于离散傅里叶变换的雅克比矩阵快速计算方法,结果表明:该方法能够实现谐波平衡法的加速,并使叶片响应计算效率提高8倍以上。在此基础上,重点探究了离心力、缘板阻尼块质量、激振力、缘板倾斜角及缘板阻尼块转动等因素对叶片响应特性的影响,并总结上述关键设计参数对叶片-缘板阻尼结构减振特性的影响规律。      

凸肩结构对叶片的干摩擦减振研究——理论方法

提出了一套求解带凸肩结构叶片非线性响应的时频转换方法。该方法应用数值轨迹跟踪法计算凸肩复杂接触面内的非线性摩擦力,并将其与频域内的谐波平衡法、动柔度法相结合求解带凸肩结构叶片的非线性响应,方法能够考虑叶片高阶振型以及响应高次谐波的影响,为带凸肩叶片的设计及故障诊断奠定了理论基础。      

主动式弹支干摩擦阻尼器控制转子振动的实验

设计了一种主动控制式弹支干摩擦阻尼器.实验研究了该主动控制式弹支干摩擦阻尼器对转子减振的效果.实验发现,通过选择合适的控制方案,主动式弹支干摩擦阻尼器能够对转子振动进行有效控制,减振效果明显.另外,实验表明,主动控制式弹支干摩擦阻尼器结构简单,易于施加控制,功耗小,将是一种很有应用前景的转子主动减振结构.      

带有支承不同心转子系统的动力响应

通过对转子结构和动力学特性的分析,利用Lagrange能量法建立了适应航空发动机柔性转子系统在不同心和不平衡激励作用下的动力学模型,揭示了转子振动响应中非线性振动特征的产生机理和影响因素.数值仿真结果表明:由于支承不同心量和不平衡力的共同作用,转子及其连接结构会发生复杂的非线性动力学变化,使转子系统振动响应呈现出非线性特征,包含1倍和2倍频分量,响应的幅值和频谱特征与不同心量和不平衡量的分布密切相关.      

旋转叶片干摩擦阻尼结构减振试验研究综述

研究航空发动机旋转叶片的振动特性及其振动抑制技术,对提高发动机的性能、结构完整性、工作可靠性具有重要意义。从旋转叶片干摩擦阻尼结构的减振试验装置、试验激励方法和动态特性测试等方面对旋转叶片干摩擦阻尼结构的减振试验进行了较为详细的综述,将旋转叶片干摩擦阻尼结构的减振试验分为非旋转试验和旋转试验两类,结合叶片干摩擦阻尼结构减振特性试验的研究现状,提出应在以下方面进行研究:在不旋转条件下,建立随叶片榫头结构、相邻叶片夹角变化的试验装置模型库;探索多叶片阻尼结构的高频激励耦合加载方法和振动响应测试方法;在旋转条件下,研究更符合开车环境的激励方式,发展使用应变片和传感器的高分辨率的振动响应测试方法。     

带阻尼套简篦齿封严装置的动力响应和减振规律研究

为有效解决篦齿封严装置在设计和使用中出现的振动过大的问题,提出了带阻尼套筒篦齿封严装置的动力响应分析方法,并对篦齿封严装置转子件在摩擦片不同分布位置时的动力响应进行了计算分析,得到了减振效果随摩擦片不同分布位置的变化规律。