非接触旋转叶片振动测量系统在转子叶片裂纹故障试验中的应用

采用非接触旋转叶片振动测量系统测量模拟转子叶片振动特性,通过单自由度和周向傅立叶两种分析方法,拟合并计算出叶片共振时的幅值、动频、转速、激励阶次等。试验结果表明,叶片出现裂纹后,叶片动频显著下降。动频结果与锤击法测量叶片静频结果对比表明,动频结果更接近真实情况。该系统可有效识别叶片裂纹,其成功运用对于实现或建立叶片裂纹故障在线监测具有十分重要的意义。     

叶片模态分析的单元类型选择

由于有限元单元类型的选择、网格划分精细程度上的不同,同一个模型的分析结果会有不同。本论文结合某型航空发动机叶片模态分析的实例,分析了单元类型的选择和网格划分精细程度的高低对分析结果精度的影响;揭示了随网格划分精细程度的变化,分析结果的收敛规律;并用有理论解的悬臂梁验证了收敛规律。     

涡轮盘-叶片整体振动固有模态有限元分析

在动力分析中、固有模态是十分重要的.固有模态分析的结果是多种动态行为的判据,也是进一步进行结构动力学分析的基础数据.为了分析方便,对某发动机高压涡轮盘-叶片进行了合理的简化,利用UG三维建模和有限元计算,分别进行了涡轮盘联接孔全约束和完全自由状态下固有模态计算,给出了两种约束前十阶的固有频率和振型图.说明了各阶固有频率振型的运动特点,以及不同形式的振型振动对涡轮盘-叶片和其它结构系统的不利影响.分析结果对某航空发动机的动力分析有一定参考价值.     

基于非接触式测量的旋转叶片动应变重构方法

基于叶端定时非接触式测量和振动响应传递比的概念,开展高速旋转叶片动应变重构方法的研究。在频域内推导了叶片任意测点位移与任意测点动应变的传递比,给出了单模态共振下响应传递比关于位移和应变模态振型的解析表达式;建立旋转叶片的三维(3D)有限元模型,开展考虑旋转预应力效应的叶片模态分析,提取位移和应变模态振型,获得任意转速下叶端位移与叶根关键点动应变的传递比。开展高速旋转叶片叶端定时非接触式测量实验,采用周向傅里叶算法对叶端定时信号进行处理,获得叶片在不同转速单模态共振下的叶端位移,结合响应传递比,重构5个旋转叶片的关键点动应变。结果表明:旋转叶片在9000r/min和13000r/min转速下发生1阶共振时,与应变片实测结果相比,叶根处应力最大点、次大点和边缘点3个关键点的动应变平均重构误差均小于15%,验证了旋转叶片动应变重构方法的有效性。     

基于固定界面法的旋转裂纹叶片动力学特性分析

为了实现裂纹旋转叶片在复杂环境载荷作用下非线性振动特性求解的高效性和准确性,以某型航空发动机压气机叶片为研究对象,综合考虑旋转叶片的刚/软化效应、裂纹的呼吸效应和气动载荷的影响,采用固定界面模态综合法对旋转裂纹叶片进行了84.83%的自由度缩减,并通过与未减缩模型前3阶动频以及振动响应的对比,验证了减缩模型的有效性。结果表明：叶片裂纹呼吸特性取决于离心载荷和气动载荷的联合作用,且在低转速下气动载荷占主导,而在高转速下离心载荷占主导;减缩模型相对于未减缩模型在进行响应求解时能提升一定的求解效率,在低转速下提升约37.35%,而在高转速下提升约12.33%;在高频激励下减缩模型的计算精度较低频激励下的稍差,应根据实际情况合理选择激振频率,并对结果精确性作相应的验证。     

叶片在变转速状态下频率转向特性的研究

基于薄板弯曲理论,采用梁函数组合法对悬臂板进行动力特性分析,推导了在变转速状态下悬臂板频率和振型的解析解的一般表达式,提出了在离心力作用下研究叶片“频率转向”的新方法,建立了计算悬臂板各阶频率和振型的理论依据。同时,采用Matlab软件分析了不同展弦比的叶片在离心力作用下,其“频率转向”特性和模态振型的变化规律,并较为详细的讨论了在“动频交叉点”附近（第2,3阶频率线交叉点附近）叶片的模态振型。仿真结果表明,在叶片的动频曲线相交点处,相同厚度、相同长度的叶片,展弦比较大的叶片的动频曲线交点对应的转速和频率较大;孤立的弯曲模态、扭转模态不会与其他模态耦合而导致频率转向;第2阶二弯模态振型没有明显的变化,第3阶一扭模态振型基本不变。     

旋转叶片在热激励下频率转向特性的研究

基于薄板弯曲理论,采用梁函数组合法对悬臂板进行动力特性分析,推导了在变转速状态下悬臂板频率和振型的解析解的一般表达式,提出了在离心力场和温度场效应下研究叶片“频率转向”的新方法,建立了计算悬臂板各阶频率和振型的理论依据。同时,采用Matlab软件分析了在离心力作用和不同工作温度下,叶片的“频率转向”特性和模态振型的变化规律,并较为详细的讨论了T=25℃时,在“动频交叉点”附近（第2,3阶频率线交叉点附近）叶片的模态振型。仿真结果表明,工作温度越高,动频交叉点处对应的旋转速度越高;孤立的弯曲模态、扭转模态不会与其他模态耦合而导致频率转向;第2阶二弯模态振型没有明显的变化,第3阶一扭模态振型基本不变。     

考虑旋翼轴刚度的孤立旋翼固有特性计算

对于装有叶间减摆器的的直升机旋翼,其集合型摆振二阶固有特性与旋翼轴的刚度有密切的关系,在以往孤立旋翼的计算中,没有考虑旋翼轴的刚度,认为旋翼在旋转中心是固支的,这样使得计算结果与实际情况有比较大的出入。本文通过建立一种新的计算模型与原来的模型进行对比,并结合扭振系统计算结果及试验数据分析不同建模之间的差异。     

功率四分支齿轮传动系统的固有特性与动载系数

建立了功率四分支齿轮传动系统动力学模型,基于轴单元法建立了单根转子的振动方程,依据齿轮啮合矩阵实现各转子振动方程的耦合,形成了传动系统的动力学方程,依据动力学方程求解了系统的固有频率和固有振型,得出了在给定转速下系统需进行越界阻尼设计以确保稳定工作的结论;然后分析了不同传动误差下齿轮动载系数变化情况.结果表明:传动误差对功率四分支齿轮传动系统的动载系数有比较明显的影响,随着传动误差的增加系统动载系数也增大,特别在高速级齿轮上表现更加显著.该分析方法和结论为四分支齿轮传动系统的动态优化设计奠定了基础.      

基于传递函数分析的直升机旋转桨叶固有频率识别技术

直升机旋转桨叶的固有频率是影响旋翼动响应以及气弹稳定性的重要因素之一,频率配置是旋翼桨叶设计的重要内容。受旋翼这种旋转系统信号谐波成分多、气动干扰大、信噪比低、模态密集等特点的影响,一直以来,旋转桨叶的固有频率识别都是直升机行业的一个难点,也是型号研制中必须进行测试的内容之一。通过将固定坐标系下的激励位移信号与旋转坐标系下的桨叶响应信号同步采集、激励位移信号坐标系转换、激励响应信号重采样处理等步骤,发展了基于传递函数分析的旋转桨叶固有频率识别方法,并通过试验验证。试验结果表明该方法能综合运用幅频曲线、相频曲线、相干系数等信息识别旋转桨叶固有频率,物理概念清晰,测试结果易于判断、稳定可靠。     

复合材料桨叶固有特性计算与试验研究

直升机旋翼的固有特性是直升机动力学问题研究的基础。文中运用有限元方法分析了模型旋翼复合材料桨叶的固有特性。运用ANSYS软件计算了桨叶的固有频率和振型,并通过试验测量了桨叶的固有频率。结果表明用有限元方法计算复合材料桨叶的固有特性与试验值吻合。     

转动壳体外压屈曲的有限元分析

由于转动离心力的影响,壳体的屈曲临界压力随转速的提高而升高。本文推导了转动壳体线性屈曲的有限元公式,并用DMAP语言编制相应的程序修改MSC/NASTRAN的解题步骤考虑离心力完成了分析。还利用MSC/NASTRAN的几何非线性分析功能完成了有初始几何缺陷转动壳体的有限元分析,计算后屈曲的载荷—变形曲线,得出不同转速下的缺陷敏感度曲线。     

带凸肩叶片的断裂故障分析

某型发动机风扇带凸肩的转子叶片发生断裂故障。断口分析表明其为疲劳裂纹特征,其疲劳源在叶盆侧凸肩工作面下侧靠近叶片前缘位置。根据微观分析结论,建立了风扇叶片三维实体模型,利用有限元方法分析了叶片的振动模态。结果表明：叶片在工作时,由于结构的激振可能发生某些阶次的共振,其应力分布与断口分析结果较一致,初步判断叶片是由于共振而发生了疲劳断裂。     

Dynamic Characteristic Analysis and Experiment for Integral Impeller Based on Cyclic Symmetry Analysis Method

A cyclic symmetry analysis method is proposed for analyzing the dynamic characteristic problems of thin walled integral impeller. Reliability and feasibility of the present method are investigated by means of simulation and experiment. The fundamental cyclic symmetry equations and the solutions of these equations are derived for the cyclic symmetry structure. The computational efficiency analysis between whole and part is performed. Comparison of results obtained by the finite element analysis (FEA) and experiment shows that the local dynamic characteristic of integral impeller has consistency with the single cyclic symmetry blade. When the integral impeller is constrained and the thin walled blade becomes a concerned object in analysis, the dynamic characteristic of integral impeller can be replaced by the cyclic symmetry blade approximately. Hence, a cyclic symmetry analysis method is effectively used to improve efficiency and obtain more information of parameters for dynamic characteristic of integral impellers.     

双掠结构旋翼桨叶动力学特性研究

双掠旋翼桨叶不仅能够提高旋翼的气动性能,还能有效降低旋翼噪声,但由于双掠桨叶几何结构的特殊性,前掠角度和后掠角度的变化对其动力学特性有很大影响,有必要对双掠桨叶动力学特性开展研究。运用Harmilton原理推导桨叶的运动方程,采用有限元法对旋翼系统进行简化,通过求解广义特征值,得到桨叶的各阶固有频率;在此基础上,分析前掠角度和后掠角度的变化对桨叶动特性的影响,得到参数影响规律。结果表明：前掠角度和后掠角度的变化对桨叶前三阶固有频率影响较小,随着后掠角度的增大,桨叶的四阶和五阶频率逐渐变小。     

基于有限元法的永磁同步电机定子固有频率研究

定子模态分析是研究永磁同步电机(PMSM)电磁振动噪声的重要环节,对定子固有频率进行准确预测是抑制PMSM电磁振动噪声的基础。运用解析法分析了影响定子固有频率的主要因素。建立了定子系统各部分有限元仿真模型,通过有限元仿真和相关数据处理分析研究了绕组、机壳和端盖对定子固有频率的影响。结果表明:当绕组等效弹性模量低于某一临界值时,会使定子固有频率降低,而高于该临界值时,会使定子固有频率升高;机壳和端盖均会使定子的固有频率大幅度提高。     

变截面旋转裂纹梁横向振动特性的研究

对损伤结构进行动力特性分析是进行无损检测的重要基础,而对于旋转梁结构的裂纹损伤动力特性研究,却鲜有文献涉及。以变截面旋转裂纹梁为研究对象,对其横向振动特性进行研究,提出一种求解变截面旋转裂纹梁横向振动特性的新方法。首先利用扭转弹簧模拟裂纹效应,建立含裂纹梁局部柔度模型,然后采用Frobenius方法求解振动方程,得到方程的级数解析解,并研究裂纹位置和深度对振动频率的影响,分析不同损伤程度、不同转速工况下梁的前两阶固有频率变化情况。结果表明:本文方法是有效的,转速和损伤程度的变化并非独立影响梁的固有频率,两者间具有耦合作用机理,对于变截面梁同样成立。     

发动机叶片振动特性分析

分析了发动机转子叶片的振动特性,并运用ANSYS软件平台对含裂纹叶片与无裂纹叶片的振动特性进行了比较,结论表明,可以通过监测叶片振动来判断发动机叶片的结构完整性。     

基于激光多普勒测振的叶片振动特性试验

为了实现叶片振动特性的高精度、多点、非接触测量,对激光多普勒测振原理与应用进行了研究,将激光测振技术引入到叶片振动特性测试中,搭建了1套非接触式声激励测振系统。以某型航空发动机压气机第2级叶片为研究对象,测量出叶片表面153个测点的响应、5kHz内的前5阶固有频率和振型、前3阶应力分布,并将试验结果与有限元分析以及传统振动特性试验采用共振法、模态法获得的振动特性结果进行对比。结果表明：非接触激光测振法可以同时获得叶片高阶模态和全场应力分布,弥补了传统振动特性试验的不足。测得叶片频率与采用共振法、模态法得到的结果相比误差在1%以内,相对应力分布与有限元分析结果基本一致,证明了该新型叶片振动特性试验方法的正确性与先进性。