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%。     

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.      

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.      

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。     

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。     

多谐波法研究带有叶间干摩擦阻尼失谐叶盘系统的共振特性

提出一种高效的多谐波分析方法,以用于研究失谐对带有叶间干摩擦阻尼的叶盘系统共振特性的影响规律.该方法可准确预测叶盘系统在频域的受迫响应,其有效性用数值积分法进行了验证.利用该方法对带有叶间干摩擦阻尼的叶盘受迫振动响应进行了仿真计算,分析了叶盘系统在谐调和失谐两种情况下受耦合强度、黏性阻尼和干摩擦阻尼等系统参数影响下的共振特性.结果表明,提出的多谐波分析法能够高效地研究失谐对带有叶间干摩擦阻尼的叶盘系统共振响应的影响特征,尤其适合考虑各种系统参数的综合影响.     

具有半主动压电阻尼的叶盘结构动力学特性研究

针对航空发动机整体叶盘结构的失谐响应放大问题,在叶盘结构中引入半主动压电阻尼技术,并利用基于非线性模态分析的非线性系统频域响应快速算法-非线性部件模态综合(NCMS)法对具有基于负电容的同步开关阻尼(SSDNC)的叶盘结构动力学特性进行理论探究。分析结果表明NCMS法相比于Newmark法具有很高的计算效率,并能保证较高计算精度;SSDNC能够同时对叶盘结构的多阶振动模态都产生较好的抑制效果,并对多谐波激励下叶盘结构的所有振动峰值都产生较好的抑制效果(对于本文所用模型,振动峰值下降可达到73%);统计分析表明,SSDNC的振动抑制效果对叶盘结构机械失谐以及电路参数失谐均不敏感。     

基于振型节径谱的失谐叶盘结构动态特性评价

基于叶盘结构振型的离散傅里叶变换,给出振型节径谱的定义。对于一个简化的叶盘结构,利用节径谱的概念对失谐叶盘的动态特性进行了评价和分析。在固有特性方面,基于节径谱改进了模态局部化因子的定义,得到了随机失谐叶盘的模态特性的统计特征;在响应特性方面,基于振型和激励节径谱的相似程度定义了模态激励因子,很好地解释了随机失谐程度的＂阈值＂效应和最优人为失谐的存在性。算例表明,节径谱是衡量的振型空间分布的重要指标,在失谐叶盘结构动态特性分析和评价中有着重要的应用。     

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。      

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.     

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.      

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.      

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.      

失谐叶盘结构鲁棒性能分析

在状态空间内建立了失谐叶盘结构的传递函数模型,以失谐传递函数矩阵的结构奇异值为指标,研究了各种失谐参数对叶盘结构鲁棒性能的影响.在此基础上对一个扇区两自由度的简化叶盘结构模型进行分析,考虑了激励阶次、阻尼、失谐程度和人为失谐等因素对系统鲁棒性能的影响.计算结果表明:增加系统阻尼,将失谐范围控制在阈值以外,以及在系统中引入适当形式的人为失谐等三种措施都能有效地提高叶盘结构的鲁棒性能.      

错频转子系统动力特性研究

根据某级压气机叶／盘转子的实际结构，建立了叶／盘带短轴的有限元模型。采用NASTRAN结构分析软件，得到了模化协调转子所需的数据，构建了多自由度叶／盘转子系统动力学模型，并在此基础上通过改变多自由度模型中叶片刚度实现错频。采用基尔法求解错频转子系统的运动方程。获得了此多自由度系统的动态响应，并对不同错频方案进行了对比分析。     

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。      

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。      

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%