整体叶盘结构失谐振动的国内外研究状况

阐述了整体叶盘结构失谐问题,包括模态、响应局部化,局部化因子,失谐叶盘结构分析模型和求解方法,重点对近10年研究的热点问题,如非线性、颤振、灵敏度、气动与结构耦合、失谐识别与预测、失谐优化、“错频”失谐、多级多部件叶盘结构耦合、科氏力、可靠性、稳健性等最新的研究成果做了详细的评述.最后提出了需进一步深入研究的问题,如建立更高效、更高精度、更具适用性的模型,真正采用试验方法对理论仿真模拟进一步地验证,气动与结构耦合以及叶冠间隙和摩擦耦合等因素对多级叶盘共同作用,科氏力产生机理,叶盘对失谐的不敏感度及稳健性等.      

改进的Neumann-LU混合法在失谐整体叶盘随机分析中的应用

为了降低失谐整体叶盘的随机分析矩阵求逆的计算成本,提出一种基于Neumann级数和LU分解的改进Neumann-LU混合法。一方面,在非共振频率附近的大区域采用Neumann级数频域展开式以提高计算效率;另一方面,在共振频率附近小区域采用LU分解法以提高计算计算精度;根据Neumann级数展开项数来选定自适应阀值,实现两种矩阵求逆方法的自动转换而不用消耗额外的计算资源。选取具有失谐特征的整体叶盘为研究对象,分别运用改进的Neumann-LU混合法和单一LU分解法求解叶片在阶次激励下的频域响应,并从计算效率和计算精度方面进行比较。研究结果表明,在保证计算精度误差不大于0.1%的前提下,改进的Neumann-LU混合法可以提高失谐整体叶盘随机分析大约55%的计算效率。     

基于光学几何测量的整体叶盘几何失谐建模与辨识

通过光学几何测量技术获取精确的叶片型面差异化信息（即几何失谐）建立整体叶盘的高保真动力学模型的方法,并进一步开展整体叶盘几何失谐辨识的研究。采用先进的三维结构蓝光扫描系统测量构建精确的叶片几何型面点云模型,然后采用网格变形技术,将谐调叶片有限元模型的表面节点自动投射至实测的点云表面,以回避传统逆向工程的实体模型重建环节,从而实现整体叶盘高保真动力学模型的快速构建。该模型可直接用于量化识别叶片几何失谐对其固有频率和振型的影响,其中各叶片“一弯”频率失谐量在2.1%以内,同时可以精确比对各叶片间的模态置信因子,因此可大幅提高整体叶盘建模和动力学仿真分析的准确性。     

一种基于叶盘结构几何失谐的降阶分析方法

叶片几何失谐严重影响叶盘结构的振动特性。为了准确且高效地对存在叶片几何失谐的叶盘结构进行振动分析,基于扇区建模方法,由动力学方程推导出降阶模型的表达式,利用该降阶方法对整个几何失谐叶盘结构分别进行模态分析和受迫响应分析,并与有限元方法进行固有频率和受迫响应结果的对比。结果表明:该降阶方法得到的结果与有限元方法得到的结果基本一致,验证了该方法的有效性和实用性。     

一种基于响应信息的整体叶盘结构失谐识别方法

以谐调叶盘有限元模型解析模态和真实失谐结构的稳态响应作为基础信息,提出一种整体叶盘结构失谐识别方法。该方法基于公称模态子集（SNM）降阶技术,降低了识别过程的计算花费以及对基础信息量的要求;采用子矩阵型技术使得失谐参数定义更加自由,并使得该方法具有模型修正的功能;直接利用实测的稳态响应数据作为输入参数,并且不需要施加在结构上的外力信息,提高了基础数据可靠性并有效降低了实际测量的难度。最后以一个整体叶盘结构的仿真分析证明了该方法的有效性。     

轴流压气机整体叶盘叶片裂纹故障研究

某型高压压气机整体叶盘在使用过程中出现叶片裂纹故障。运用ANSYS软件对该转子叶片振动特性进行详细计算分析,并结合裂纹叶片断口宏观、微观及金相组织检查结果,找出了转子叶片裂纹产生的原因;针对故障原因,采取相应改进措施,对转子叶型及结构进行优化设计,并完成试验验证考核。结果表明,针对该叶片裂纹故障的原因分析准确,改进措施有效。     

涂敷硬涂层的失谐整体叶盘减缩建模及振动分析

为了提高整体叶盘的服役寿命,提出一种对叶片涂敷硬涂层的减振方法。同时,针对失谐叶盘-硬涂层复合结构的运算规模庞大的难题,提出了一种双重减缩建模方法。利用一种改进的混合界面子结构(HISCMS)法对复合结构进行第一重的自由度减缩。利用一种模态密集判别准则与经典模态减缩(SNM)法的思想对综合后的模型进行第二重的模态减缩。选取了对叶片双面涂敷NiCoCrAlY+YSZ(yttria-stabilized zirconia,氧化锆) 硬涂层的失谐叶盘进行仿真分析及试验测试,以探究失谐叶盘的振动情况以及硬涂层厚度对失谐叶盘的影响。结果表明:双重减缩建模方法能够在保证计算精度的前提下提高25.86%~42.05%的计算效率;而且硬涂层表现出较强的阻尼作用,能够在共振区显著抑制失谐叶盘的共振响应。      

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。      

含裂纹叶片的轴流式压气机整体叶盘振动特性分析

某型轴流式压气机性能试验过程中出现转子叶片裂纹故障.结合该型压气机结构特点,分析了振动响应的时域信号、频域信号以及高频成分出现的频率波动现象,总结了含裂纹叶片的轴流式压气机整体叶盘振动特性.分析结果显示:含裂纹叶片的整体叶盘使得轴流压气机振动响应呈现非线性特性;振动频谱中出现共振峰分离现象,表明叶片裂纹引起轴流压气机1级转子叶盘出现结构失谐;随转速升高,两个共振峰对应频率均出现波动现象(波动周期分别约为8s和9.2s),叶片裂纹不断扩展且数量增加,整体叶盘失谐程度不断加深,整体叶盘系统出现低阶模态局部化现象.      

基于模态信息的叶盘结构失谐识别方法鲁棒性研究

为有效运用整体叶盘结构失谐识别技术,针对一种以模态信息作为输入参数的识别方法进行了鲁棒性方面的研究.推导了该方法中识别参数对各输入参数的灵敏度公式,利用灵敏度分析的结果,可以明确各个输入参数的重要程度,为实际运用中获取输入参数信息提供指导;另外也可对识别结果的准确度作进一步的分析评价,为可靠的使用该识别方法提供保障.      

基于双重极值响应面法的叶盘联动可靠性分析

为了更准确地研究变形和应力对航空发动机叶盘性能的影响,在湍流模型理论和叶盘流场模型的基础上,提出了一种可靠性分析方法即双重极值响应面法(Dual Extremum Response Surface Method,DERSM)。在分析中考虑气体压力和离心力作用,合理选取随机输入变量,得到叶盘结构的总体最大变形和最大应力,并作为输出响应;对随机变量进行抽样,通过抽样点拟合各自的极值响应面方程;结合蒙特卡洛法对两个极值响应面模型进行联动抽样,计算出了航空发动机叶盘的可靠性概率。实例仿真表明:当叶盘最大允许变形量为4.2mm,最大许用应力为7.5×10~2MPa时,其可靠性概率为98.61%。与极值响应面法(Extremum Response Surface Method,ERSM)相比,DERSM在保证计算精度的前提下,计算效率提高23.52%,验证了DERSM在叶盘可靠性分析方面的有效性。     

基于智能双重响应面法的涡轮叶盘可靠性灵敏度分析

为了合理进行整体叶盘多失效模式可靠性分析和准确描述各影响参数的重要程度,将智能算法与双重响应面方法相结合提出可靠性灵敏度分析的智能双重响应面方法 (Intelligent Dual Response Surface Method,IDRSM)。首先,建立IDRSM的数学模型,给出基于IDRSM的可靠性灵敏度分析的流程。然后,考虑流场和温度场作用,基于IDRSM对整体叶盘径向变形和应力两种失效模式进行可靠性分析和灵敏度分析。可靠性分析显示:当许用径向变形、许用应力的均值和标准差分别取3.8mm和76μm,690MPa和14MPa时,叶盘综合可靠度为0.9926。灵敏度分析显示:整体叶盘综合失效概率的主要影响因素为流速和转速,占叶盘总失效的92%。通过蒙特卡洛法、响应面法、极值响应面法、智能响应面法等四种方法比较显示:IDRSM能在保证计算精度的前提下提高计算效率。实例分析表明该方法在多失效模式综合可靠性灵敏度分析中的可行性和有效性,也为结构多失效模式可靠性优化开辟了有效途径。     

风扇整体叶盘振动响应数值仿真及试验验证

针对整体叶盘结构振动问题突出,而传统坎贝尔图无法预测真实振动应力的问题,以某风扇整体叶盘为研究对象开展 振动响应数值仿真分析技术研究。根据转/静子叶片数确定了可能存在的危险节径数,同时考虑机匣椭圆度的影响,绘制了盘片 耦合共振图,获得了工作转速范围内可能存在的危险低阶共振。在此基础上开展了非定常流场分析,获得了考虑前后级静子叶片 影响的非定常流场分布,并将随时间变化的气动压力加载至叶片表面开展振动响应分析,求解得到叶片的振动应力。结合振动特 性分析结果和振动响应分析结果确定了动应力测量的贴片位置,在整机上开展了振动应力测试,并将测试结果与数值仿真分析结 果进行对比验证。结果表明：仿真分析结果与试验结果吻合较好,振动响应仿真分析方法可以用于工程中叶盘结构振动响应预测。     

纤维增强整体叶环/盘强度问题分析

为了尽可能全面剖析纤维增强整体叶环(简称叶环)的优点和结构强度问题,明确纤维增强叶环转子强度优化问题及加工制造要求,利用ANSYS有限元软件,在分析典型纤维增强叶环和特殊纤维增强整体叶盘(简称叶盘)结构的受力特性基础上,结合前期对纤维增强叶环/盘特性的认识了解,提出了纤维增强叶环/盘结构在设计使用中出现的减质、寿命、刚度和热变形不协调等结构强度问题,并分析了这些问题产生的机理,可供纤维增强转子结构设计、加工、试验和检查时参考。     

基于叶尖定时原理的整体叶盘振动测试与分析

针对某发动机整体叶盘风扇部件第1级转子叶片振动故障,应用基于叶尖定时原理的多通道非接触叶片振动测试系统 对不同气动状态、不同运行转速下叶片振动参数进行测量,采用整级叶片行波分析方法分析得到了整体叶盘转子叶片的振动形式 以及叶片振动随风扇气动状态和运行转速的变化规律。测试分析结果表明：该整体叶盘转子叶片在多个转速下存在非同步振动, 同时静子参考系可观察到前行波,叶片振动频率、激振因素及振动节径均随转速变化,叶片振动Campbell图存在2条明显的激振 线,与叶片2弯和1扭振型频率线基本一致。通过测试分析可知振动激励源为宽频激励,且与试验件静子结构激振因素无关。可 通过提高叶片自身刚度、强化阻尼效果、降低弯扭耦合来改善叶片振动特性。     

复合铣整体叶盘通道加工工艺规划分析

首先对开式整体叶盘通道几何特征进行分析,在宽度和深度上对通道加工空间进行计算,从轴向和径向进行切削加工性分析;通过偏置面求解及其延伸面求解,进而确定可加工区域;在对比分析各种铣削方法基础上,优选复合铣削数控刀具,明确通道复合铣加工方法以及流程,为后续开式整体叶盘通道加工工艺优化打下基础。     

航空发动机整体叶盘加工技术

整体叶盘技术是新一代航空发动机实现结构创新与技术跨越的核心技术之一.与传统结构相比,整体叶盘将叶片和轮盘设计为一体,具有减重、减级、增效和提高可靠性等优点,美英等航空强国在20世纪80年代中期的新型发动机上开始应用整体叶盘技术,我国整体叶盘技术起步于20世纪90年代中期.     

整体叶盘制造工艺技术综述

随着整体叶盘在航空发动机上的广泛应用,未来高推重比、涵道比发动机使整体叶盘结构更加复杂,优异的SiC或C/C复合材料等在整体叶盘上的应用,对整体叶盘制造技术提出了更高的挑战,各国都投入大量的人力、物力对整体叶盘制造技术进行研究,寻求低成本、低污染、高效率、高质量的复合制造技术,以满足航空发动机对整体叶盘的需求。     

钛合金整体叶盘扩散焊

对钛合金整体叶盘复杂构件扩散焊接头形式、扩散焊工艺进行了研究 ,用金相分析与超声波无损检测相结合的方法分析接头组织和焊合情况。结果表明 ,采用斜块式接头形式和合适的焊接工艺焊接的钛合金整体叶盘界面焊合好 ,叶片无变形 ,接头和基体等强度 ,拉伸试样断口为典型的韧性断裂 ;淬火时效能显著提高接头和基体的强度与韧性 ,使强化相弥散分布于基体 ,消除块状局部解理断裂。     

闭式整体叶盘插铣加工方法研究

针对闭式整体叶盘的结构特点提出了一种基于路径规划的对接分层插铣加工方法.首先依据插铣加工方式对比实验优选顺插加工方式,其次划分了叶盘通道的对接加工区域和分层插铣区域,然后给出了插铣轨迹的最佳逼近直线计算方法,最后给出了闭式整体叶盘的对接分层插铣加工路径.