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.      

旋转叶片干摩擦阻尼结构模型及分析方法研究综述

旋转叶片是航空发动机的关键部件,其振动特性及振动抑制技术对发动机的性能和结构完整性、工作可靠性产生重要的影响,在各类叶片振动抑制方法中,干摩擦阻尼结构应用最为广泛。首先,详细地阐述了旋转叶片干摩擦阻尼器动力学建模及其发展现状;然后,介绍了旋转叶片干摩擦阻尼结构减振特性分析方法及其发展现状,最后,提出了基于不同结构形式的叶片-地(B-G)型和叶片-叶片(B-B)型、基于接触面相互作用的干摩擦阻尼数学模型、基于接触点描述的干摩擦阻尼接触模型以及根据相对运动关系形成的干摩擦接触运动模型,以期为旋转叶片减振结构的建模设计、提高可靠性和效率、减振延寿等方面提供理论和技术支持。     

带涂层干摩擦阻尼器的分子动力学仿真

从纳米级微凸体间的剪切运动出发研究干摩擦阻尼器摩擦机理。采用更加精确的多体势,建立描述两个可变形半球状微凸体剪切运动过程的分子动力学模型。应用该模型分析了单晶铜微凸体剪切运动过程中切向力和法向力随相对位移、干涉深度和微凸体半径的变化规律,同时研究了剪切过程结束后剩余变形能的变化。通过多尺度分析和统计学工具,建立了干摩擦模型的微凸体模型,并与实验结果进行对比。研究表明:单晶铜在真空中发生干摩擦时,结合面的表面法向接触刚度与法向载荷成正比,滑动摩擦因数只与表面粗糙度参数有关。计算结果与纯铜摩擦实验结果相吻合,证明该方法可准确地分析覆盖涂层的干摩擦阻尼器工作面干摩擦特性,对于已知微观参数的表面,能够准确地预测滑动摩擦因数。      

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。      

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。     

带干摩擦阻尼结构叶/盘系统动力学分析

本文对叶轮机等动力机械中带干摩擦阻尼结构的减振机理进行了研究 ,并对带此结构的叶 /盘系统的响应特性作了深入的理论分析与数值计算。采用谐波平衡法对此系统的非线性动力学特性进行线性简化 ,建立此系统的等效刚度及等效阻尼。在有限元数值分析中导出系统的响应特性计算方法 ,并藉助于 ANSYS软件对某型涡轮风扇发动机的带凸肩风扇转子及某型涡轮喷气发动机带拉筋涡轮转子为分析实例。由不同的干摩擦阻尼下系统的幅频特性族曲线可导出阻尼的临界值 ,并导出干摩擦阻尼接触面正压力优化的概念。所得结论对今后动力机械中带干摩擦阻尼减振结构的合理设计与寻优具有指导意义     

摩擦阻尼减振设计中的局部滑动问题

采用干摩擦阻尼器可以有效抑制系统的振动。在摩擦阻尼减振分析中引入局部滑动模型可以更好地描述摩擦阻尼抑制振动的机理。采用局部滑动模型,建立了阻尼器在局部滑动阶段阻尼力与振动位移之间的关系,按照能量等效原则,将阻尼器的刚度、阻尼进行等效并引入振动系统中,发展了带摩擦阻尼系统的振动响应分析方法。通过对带摩擦阻尼器平板叶片的振动响应分析,结果表明:阻尼器在局部滑动阶段,对系统振动的抑制有明显的效果,并且适当施加正压力能使系统在共振状态下的响应达到最小。     

一种基于模态的叶片缘板阻尼器减振设计方法

为了有效解决航空发动机中叶片缘板阻尼器的减振设计问题,在无需开展复杂耗时的非线性响应分析的情况下,提出了一种基于模态的叶片缘板阻尼器减振设计方法。采用半圆形缘板阻尼器的结构形式,根据归一化等效理论,将带有缘板阻尼器的转子叶片简化为以集总参数表示的单自由度模型。引入局部微滑动模型及刚度比例因子,给出了不同干摩擦模型的非线性摩擦力求解方程。针对给定的转子叶片许用振动应力,计算缘板阻尼器的阻尼比特性曲线,通过对比能量法与谐波平衡法的计算结果,验证了所提出方法的可行性及准确性,并获得了阻尼比随相关设计参数的变化规律。对于文中示例,给定许用振动应力幅值为50MPa,最佳缘板阻尼器质量约为7.34g,其峰值阻尼比约为0.33%。     

叶片摩擦阻尼器的优化设计方法研究

为减小叶片振动应力 ,防止叶片出现大应力的疲劳破坏 ,在叶片上设计干摩擦阻尼结构是最常用的方法之一。本文对叶片缘板摩擦阻尼器的工程优化设计方法进行了研究。研究了摩擦阻尼器参数对叶片响应的影响规律并提出了设计时应采取的措施。在阻尼器的材料和摩擦面结构已确定的情况下 ,优化设计的最主要的一个参数就是接触面的法向正压力 ,基于实际发动机中叶片激振力和粘性阻尼不易精确确定的实际 ,研究了激振力和粘性阻尼对法向正压力优化的影响 ,并提出了一种法向正压力的优化方法。由于这一优化方法对激振力和粘性阻尼值并不敏感 ,因此为工程上进行法向正压力的优化提供了理论方法     

阻尼器切向接触刚度的有限元分析及应用

提出了一种利用有限单元法求解干摩擦阻尼器接触刚度的方法.利用该方法研究了接触面初始正压力、摩擦系数、阻尼器材料属性和阻尼器接触面半径等对接触刚度的影响规律,发现接触刚度随着这些参数的增大而变大.并通过曲线拟合得到了一定条件下接触刚度随接触面正压力变化的函数关系,为求解带阻尼器叶片非线性响应时实时准确考虑接触刚度随正压力的变化提供了方便.最后,利用所得刚度函数研究了接触刚度对带凸肩叶片非线性振动响应的影响,结果表明:随着接触刚度的增加,叶片峰值频率逐渐升高,振动峰值逐渐减小,且各自都逐渐趋于一个定值.      

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.     

二自由度扭转干摩擦系统的频域响应计算方法

针对一类作扭转振动的干摩擦系统,基于库仑阻尼模型和谐波平衡思想给出了其频域响应的求解方法,考虑了干摩擦界面上可能出现的周期内全滑移运动及阻滞-滑移运动.首先,建立了扭转干摩擦系统的二自由度集中质量模型,并进行了无量纲化.其次,建立了以谐波平衡思想处理该动力学模型的方法,并给出了系统的接触面作周期内全滑移运动及阻滞-滑移运动的判定条件.最后,对于这两种接触运动状态,分别给出了其摩擦力的处理方法和谐波展开形式,从而建立了扭转干摩擦系统的频域求解方法.以此方法计算了系统在一组不同的正压力下的响应,其结果与数值积分法所得的结果取得了相当的一致.此半解析方法较数值积分方法更能揭示扭转干摩擦系统的工作机理,并可以大幅提高计算时间,其推导和求解过程可用于类似的非线性系统.      

带摩擦阻尼的叶片响应求解方法

 提出了一种可用于带摩擦阻尼的复杂结构的动力特性的计算方法——动柔度法。给出了计算公式及流程。并用此法对一带摩擦阻尼器的模型叶片进行了稳态响应的计算。通过理论计算并与实验对比表明,动柔度法是一种可用于复杂结构响应计算的高效的算法。由于叶片与阻尼器之间有复杂的运动关系,在用于带阻尼器的叶片的响应计算及阻尼器优化设计时,此法将更显优越。     

含接触界面的叶盘结构强迫振动响应快速预测方法

建立了含接触界面的叶盘有限元结构强迫振动响应的快速预测方法。以含燕尾型榫连接的叶盘结构有限元(FE)模型为例,通过模态综合法对线性结构模型进行减缩,将模型计算规模降低至原模型的1/25以下,采用谐波平衡法对进行稳态响应预测。在此过程中,将作者前期研究工作中提出的雅可比矩阵加速技术进行拓展改进,形成了适用于含接触界面的大规模有限元模型的快速雅可比矩阵快速计算方法,将基于谐波平衡法的响应预测速率提高400倍以上。结果表明:所建立的含接触界面的叶盘结构强迫振动响应快速预测方法准确性良好,在计算效率方面拥有巨大的优势,可为后续开展各种类型干摩擦阻尼器的设计和优化工作提供强有力的工具。      

基于加速动态拉格朗日法的摩擦片阻尼分析

提出了一种可用于增强薄壁结构阻尼的波纹形片状干摩擦阻尼器，并利用一种改进的非线性动力学计算方法对其稳态响应特性进行了分析。首先通过两重减缩使非线性系统自由度变成接触节点间相对位移的形式从而降低矩阵规模，在高阶谐波平衡法的基础上引入了速度型动态拉格朗日法，并通过提供解析形式的雅克比矩阵来提高计算效率与数值稳定性，从而构成了用于预测非线性系统强迫响应的算法。在一个集中参数模型上用切向/法向刚度法与时域推进法这两种主流非线性计算方法对本文算法的合理性进行了验证。利用该算法对带有波纹形阻尼器的薄壁板结构进行分析，结果表明，摩擦片对薄壁板有很好的振动抑制作用，在质量仅占主体结构0.6%的情况下，能够使共振峰值下降75.4%。该算法表现出较高的计算效率，减缩模型使用和解析雅克比矩阵的引入使CPU时间减小到原来的0.5%以下。     

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。      

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。      

抗混叠时频域融合算法及在叶片响应分析中的应用

为解决现有的时频域融合算法中反复使用快速傅里叶变换而出现频谱混叠误差和频谱系数周期性重复的问题,采用快速抗混叠傅里叶变换取代原有的快速傅里叶变换,从计算精度和效率两个方面对时频域融合算法进行改进.使用改进后的抗混叠时频域融合算法对某真实叶片的非线性强迫振动响应进行了计算,并与原算法的计算结果进行了比较.计算结果表明:抗混叠时频域融合算法在保证精度的前提下,计算速度约为原算法的4倍.该算法适合于有限元模型、精度要求高的非线性系统的动力学响应分析.