基于测试数据的卡箍非线性等效建模方法

为了快速准确地计算卡箍管路系统的振动响应,提出了基于测试数据的卡箍非线性等效建模方法。对卡箍直管系统进行低幅值激励的模态测试,利用试验数据对有限元模型进行修正,识别卡箍线性刚度、线性阻尼参数。对卡箍直管系统开展不同激励水平下的恒力测试,通过样条插值多项式法将恒力频响函数转换为恒位移、恒速度频响函数,并进一步识别卡箍非线性等效刚度、非线性等效阻尼,建立了考虑卡箍非线性的等效动力学模型。研究表明:该卡箍等效动力学模型的预测频响函数与试验频响函数的最大误差仅为-6.9%,可以有效地反映卡箍实际的刚度、阻尼特性,对解决卡箍管路系统的振动响应分析具有重要的指导意义。      

卡箍-管路系统固有特性计算与试验方法

以航空发动机中的卡箍-管路系统为研究对象,基于自主设计的卡箍刚度试验测试装置,对直径为8 mm的卡箍的线刚度和角刚度进行了试验测试。根据实测卡箍刚度,采用线性弹簧对其进行离散化等效处理,并基于自编有限元法建立了卡箍-管路系统的动力学模型。通过试验与仿真所获得的固有频率及频响函数的对比,从而验证了卡箍刚度测定及有限元模型的合理性,并进一步研究了拧紧力矩对卡箍-管路系统固有频率的影响。结果表明:拧紧力矩的增加会导致管路的固有频率增大,且针对所研究的卡箍,当拧紧力矩大于8 N·m时,管路固有频率逐渐趋于稳定。      

基于实测频响函数反推管路卡箍支承刚度与阻尼

为了有效创建航空发动机管路系统动力学模型,需要获得动载荷作用下管路卡箍支承刚度及阻尼。提出一种基于实测频响函数(FRF)反推卡箍支承刚度及阻尼的方法。确定了针对单管路双卡箍支撑系统的反推辨识流程;利用自编有限元创建了该管路系统的动力学模型,并给出了求解频响函数的方法;进一步,提出了基于灵敏度的卡箍支承刚度和阻尼反推辨识算法;以典型管路卡箍为例,用所提出的方法辨识出了该卡箍的支承刚度和阻尼。将辨识值回带到理论模型中,发现仿真及实测固有频率及相对应的频响函数偏差均小于9%,从而证明了研发的辨识方法的合理性。另外,辨识结果也表明卡箍的刚度及阻尼具有频率依赖性,且水平及竖直方向存在差异。      

简谐激励下柔性卡箍支承管路系统响应

针对柔性卡箍支承航空发动机管路系统振动问题,研究了柔性卡箍的刚度特性及其对管路系统响应特性的影响。建立了包含管路和柔性卡箍的管路系统流固耦合有限元模型,给出了系统时域响应的Newmark积分方法。采用解析推导和试验测试两种方法对柔性卡箍刚度特性进行了研究,研究结果表明:柔性卡箍的刚度具有明显的分段线性特性。通过对基础简谐激励作用下管路系统时域受迫响应分析,研究了柔性卡箍支承刚度对系统非线性行为的影响。发现柔性卡箍刚度的不对称性较大时,系统的幅频响应特性曲线出现明显的非线性突跳现象;在特定频率范围,响应中存在激励频率的亚谐和超谐分量;随着流体流速和压力的增加,系统固有频率减小。      

考虑卡箍预紧状态的空间管路3维有限元建模

为了准确分析管路系统的振动应力，在合理引入卡箍预紧状态的前提下，提出了一种空间管路3维有限元建模方法，创 建了管路3维实体有限元模型。通过分析上下箍带对管路的夹紧力，确定了模拟卡箍力学特性的弹簧单元刚度值分布规律；卡箍 不同位置处的水平和竖直方向的刚度存在比例关系，且比例关系与位置角和方向有关；给出了用实体单元并引入上述卡箍约束 的有限元建模流程，其中每个卡箍用2个同面并按照节点分布的弹簧组来模拟，真实地反映了管路的几何特征和卡箍的约束状 态，能够适应管路系统动应力求解的需求；搭建了对应模态和谐响应分析的试验装置，并将试验结果和仿真结果进行了对比。结 果表明：相对于管单元，采用考虑卡箍预紧的管路系统3维有限元建模方法得到的固有频率和应力响应结果更贴近实测结果，仿 真计算与实测的振动应力偏差小于20%。     

卡箍刚度的有限元计算与实验测定

准确确定卡箍刚度对管路系统的振动特性分析具有重要意义。本文针对航空发动机管路系统中不同卡箍的结构特点,建立了计算卡箍刚度的有限元模型。对单管接地卡箍及双管悬地卡箍的刚度系数进行了有限元计算,还对一典型双管悬地卡箍刚度进行了实验测定。通过卡箍刚度计算结果与实验结果的对比表明,本文建立的卡箍刚度计算方法可用于管路系统振动特性分析工程实际之中。      

发动机管路卡箍位置动力灵敏度分析与优化设计

针对发动机管路卡箍布置过程中存在的经验性和随意性的问题,将卡箍支撑视为末端固定的平移约束弹簧单元,定义任意两个卡箍之间的管道长度为随机变量.采用有限元法结合离散抽样分析了结构参数对复杂管路系统基频和随机振动的灵敏度,结果表明某些卡箍间距的变动比其他参数的影响更为明显.讨论了卡箍数量和刚度对管路系统的动力学特性的影响规律,并分别以基频与外界激振频率的差值最大化,以及随机振动均方差响应最小化为目标,利用罚函数法对复杂管路系统的关键卡箍位置进行了优化设计.      

航空发动机管路振动应力原位抑制试验

为解决航空发动机管路振动应力超限问题,提出航空发动机管路振动应力原位抑制概念,制定了管路振动应力原位抑制流程,提炼出基于管路基本管型、卡箍基本约束方式的振动应力原位抑制方法;结合发动机整机试验,对管路系统振动应力测试截面、试车程序进行了分析,并将所建立的分析流程和方法应用到某型发动机管路系统设计和试验中。结果表明:振动应力原位抑制后的管路系统承受住了实际工作环境的考验,验证了流程和方法的有效性;管路两端管接头焊接处、与附件相连接头处、刚性接地卡箍处,是应力较大的区域,应进行重点监控;采用3 min试车方案可在保证测量数据准确有效的前提下,降低测试成本并提高1倍的测试效率。管路振动应力原位抑制流程和方法可为航空发动机管路系统的设计、振动应力测试及抑制提供参考。     

考虑螺栓连接的航空发动机管路建模及振动特性分析

为了建立考虑真实卡箍结构影响的管路系统动力学模型、获取结构设计参数和装配参数等对管路系统动力学特性的影 响规律,以航空发动机外部管路为研究对象,考虑金属橡胶卡箍螺栓拧紧力矩的影响,基于ANSYS有限元软件建立了包含螺栓连 接的管路模型。通过模态试验及基础激励响应试验验证了有限元模型的准确性。进一步分析了螺栓拧紧力矩、卡箍跨距及管体 长度对双卡箍管路系统固有频率的影响规律。结果表明：拧紧力矩的增大导致管路的固有频率的提高,针对本研究模型,在拧紧 力矩达到8 N·m以后,管路固有频率逐渐趋于稳定;拧紧力矩对不同长度管路的固有频率影响不同,管路越长,拧紧力矩的作用越 弱,即卡箍的支承刚度对管路固有频率的影响越弱。     

基于ANSYS平台的多支撑空间单管路避振优化

为了合理地确定航空发动机中卡箍的布局,以有效避开发动机转子的激振频率,进而大幅度降低管路系统的振动水平, 基于ANSYS平台,针对多卡箍支撑的空间管路开展卡箍布局优化研究。描述了空间管路的有限元建模过程,将卡箍的位置作为 设计变量,卡箍的可移动范围作为约束条件,以管路系统最大第1阶固有频率作为目标函数,建立了空间管路避振优化模型,并给 出了先执行灵敏度分析再进行优化求解的方法。结果表明：基于灵敏度分析减少了设计变量的数量后,其优化结果与考虑所有设 计变量的优化结果基本一致;优化后管路系统第1阶固有频率增大,避开了所设定的激振频率。通过试验校验了所创建的有限元 模型的合理性,并在此基础上进行了卡箍布局优化实践。     

A dynamic modeling approach for nonlinear vibration analysis of the L-type pipeline system with clamps

There exists a lot of research on the nonlinear vibration of the pipeline system with different boundary conditions. To the best of our knowledge, little research on the actual constraint of the clamp has been performed. In this paper, according to hysteresis loops of the clamp obtained from experimental test, the simplified bilinear stiffness and damping model is proposed. Then the Finite Element (FE) model of L-type pipeline system with clamps is established using Timoshenko beam theory in combination with aforementioned stiffness-damping model. Both hammering and shaker tests verify the FE model via the comparisons of natural frequencies and vibration responses. The results show that the maximum errors of natural frequencies and vibration responses are about 8.31% and 17.6%, respectively. The proposed model can simulate the dynamic characteristics of the L-type pipeline system with clamps well, which is helpful to provide some guidance for the early design stage of pipeline in aero-engine.     

基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法

接触刚度和阻尼是影响螺栓连接的装配结构动力学特性的关键参数,为了实现接触刚度和阻尼的同时识别,在前期开展的螺栓连接结构接触刚度识别的基础上,提出一种基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法。通过在单螺栓连接结构中巧妙引入试验垫片,通过试验获得有界、对称且均匀接触状态下结构的固有特性与动态响应;进而建立模拟接触面刚度与阻尼的薄层单元,并仿真获得结构的动态响应特性;通过结构固有频率测试与仿真结果构建误差函数实现接触刚度识别,通过动态响应测试与仿真结果构建误差函数实现接触阻尼的识别,进而获得接触刚度与阻尼随接触法向力变化的模型。结果表明,接触刚度随法向力非线性增大而接触阻尼则非线性减小,当法向力较大时,接触刚度和阻尼趋于稳定。研究结果为接触刚度和阻尼的同时识别提供了一种行之有效的方法,识别平均误差分别为4.5%、14.8%,所识别的刚度和阻尼以合适的薄层单元形式,可直接应用到包含多接触面的装配系统动力学分析中。     

基于接触刚度分布特性的叶片振动响应分析

根据接触刚度在锯齿形叶冠结合面上非均匀分布的特性,提出一种基于定义和有限元计算相结合的接触刚度计算方法。在此基础上,将微-宏滑动摩擦模型作为叶冠结合面处的摩擦模型,推导微滑动和宏滑动状态下摩擦力表达式。利用谐波平衡法将非线性摩擦力转化为等效刚度和等效阻尼进行振动特性分析。针对叶冠结合面相对位移幅值动态变化的特点,提出了一种迭代求解的振动响应分析方法。与文献提供的带摩擦阻尼结构悬臂梁振动响应实验数据相比,共振峰附近的振幅误差为1.99 mm,相对误差为3.9%。振幅的最大误差为5.53 mm,出现在远离共振峰的位置,验证了响应分析方法的可行性。将该方法应用于带冠叶片上,结果表明当激振力频率为812.3 Hz时,振幅为0.56 mm。     

基于能量等效的直齿锥齿轮时变啮合刚度计算

针对直齿圆锥齿轮啮合刚度的计算问题,从微元思想出发,将变截面齿廓划分为若干等截面微段齿段,基于能量等效建立微段齿段啮合刚度计算模型,并利用积分方法获得单齿啮合刚度。此外,基于力平衡和变形协调条件进一步提出了齿轮时变啮合刚度计算模型,同时根据几何关系导出了相应传动误差计算式。利用有限元分析对解析计算模型进行了验证,并分析了误差来源。结果表明:利用该模型不仅能够将直齿锥齿轮啮合刚度计算精度保证在2%以内,还达到了快速求解的目的。      

卡箍对飞机液压管道动态应力的影响分析

以某型飞机液压管道为研究对象,使用六面体实体单元对管道进行有限元建模,并结合真实的发动机舱载荷曲线、飞机导管极限工作压力脉冲和管道压力脉动,计算了管道的动力响应;研究了卡箍对管道动态应力的影响,并与国军标《GJB 3054-97飞机液压管路系统设计、安装要求》提出的施加卡箍的原则进行了对比,结果达到了较好的一致性;在国军标的基础之上,提出了管道中的弯管卡箍配置原则。所得研究结果为管道振动抑制技术中卡箍优化配置提供了依据。     

液体火箭发动机喷管简化建模及模型修正

为了准确掌握喷管的动力学特性,提出了一种等效简化建模结合试验数据的模型修正方法。首先,将喷管的原始几何模型经过几何处理成简化模型,建立了喷管的有限元模型,对有限元模型在自由条件下进行模态计算,将得到的计算数据与测试数据对比分析,再利用测试数据对有限元模型的弹性模量参数进行修正,修正后的喷管有限元模型前9阶模态计算结果与测试结果频差在5%以内,MAC值(模态置信准则)在0.8以上。表明此方法是一种高效可行的喷管简化建模方法,既保证了精度又提高了计算效率,对其动力学特性分析、振动响应预测等方面具有重要应用价值,对于液体火箭发动机其他部件的动力学建模及分析也具有普适性。