整体叶盘是为了提高航空发动机性能而采用的一种新型结构部件,它是通过整体化加工或由叶片和盘通过焊接等方式做成一体的,结构形式更为简单,能够大幅度提高航空发动机性能,在当前先进航空发动机结构中得到高度重视并得以成功应用。但是,整体叶盘的振动及疲劳破坏问题极为突出:整体叶盘的轮盘厚度通常较薄,容易出现轮盘与叶片刚度相近而导致叶片与轮盘发生耦合振动;无榫结构形式虽然减少了连接与接触摩擦界面,但降低了整体叶盘的振动阻尼能力,使得恶劣工作环境条件下整体叶盘容易处于大振动和高动应力状态,甚至发生共振;整体叶盘的振动疲劳失效问题十分突出,并且整体叶盘损伤修复难度很高。因此,深入研究考虑结构特征的整体叶盘动力学建模方法,明确整体叶盘的耦合共振机理,进而提出整体叶盘的振动抑制与抗振动疲劳的硬涂层阻尼技术,获得硬涂层阻尼对整体叶盘结构振动抑制与抗疲劳破坏的机理及影响规律,进行硬涂层整体叶盘的减振优化设计,对于提高整体叶盘的设计能力、保障结构安全性具有重要的理论和实用价值。本文在国家自然科学基金项目“整体叶盘动力学特性及其硬涂层阻尼减振设计方法”(编号:51505060)以及“薄壁构件硬涂层阻尼减振的多尺度模拟方法与主动设计”(编号:11472068)的支持下,采用解析分析、数值计算与试验测试相结合的方法,开展整体叶盘的动力学缩减建模方法与耦合振动特性分析、叶片和轮盘涂覆硬涂层的整体叶盘振动特性分析、面向整体叶盘减振的硬涂层参数与布局多目标动态优化设计、失谐整体叶盘的硬涂层主动失谐设计以及整体叶盘叶片振动疲劳裂纹的扩展和硬涂层影响等方面的研究,完成的主要工作和取得的主要结果如下所述。考虑整体叶盘的结构特征与硬涂层阻尼的材料特性,基于改进的层合结构振动理论,采用复模量本构模型,利用Rayleigh-Ritz法结合Gram-Schmidt变换构建的特征正交多项式作为整体叶盘的振型函数,建立了涂覆硬涂层的整体叶盘动力学模型,对涂覆硬涂层的整体叶盘的固有频率、模态损耗因子以及频率响应等进行了理论与仿真研究,并进行了试验测试验证,获得了硬涂层材料参数和厚度对整体叶盘振动抑制的规律,以及整体叶盘的结构参数对硬涂层整体叶盘整体结构的综合阻尼特性的影响规律。基于Kriging模型和有限元模型,分别采用改进非支配排序遗传算法(NSGA-II)以及渐进优化算法,建立了针对整体叶盘阻尼减振的、以模态损耗因子最大和对原整体叶盘的固有频率影响以及增重最小为优化目标,进行硬涂层参数与硬涂层布局的多目标动态优化设计方法。分别对两目标优化以及三目标优化进行了求解,得到了 Pareto前沿曲线和曲面形式的最优解集;以某一阶和多阶模态损耗因子的加权和最大为目标,硬涂层材料的涂覆面积为约束条件,得到了硬涂层在整体叶盘上的最佳布局。在等效气动载荷条件下计算得到各最优解下整体叶盘的振动响应并进行了对比评价;利用模型试验对布局优化的结果进行了检验验证。以降低失谐整体叶盘的振动局部化程度、提高对出现随机失谐导致整体叶盘振动局部化和振幅放大等不利影响的鲁棒性为目的,在确定硬涂层阻尼对失谐整体叶盘模态局部化和强迫振动响应具有改善效果的基础上,创新性地提出了采用硬涂层对整体叶盘进行主动失谐设计的方法,通过改变硬涂层涂覆厚度进行主动失谐设计,获得了在硬涂层主动失谐形式下的整体叶盘模态与振动响应特性,以及考虑随机失谐情况下的主动失谐设计对整体叶盘振动响应特性的影响。仿真分析与试验研究表明,硬涂层主动失谐设计可以实现整体叶盘具有较低的振动响应幅值并对随机失谐具有较强的鲁棒性。基于叶片振动疲劳裂纹的典型形式,建立了叶片带裂纹时的整体叶盘动力学缩减有限元模型,获得了带裂纹叶片的整体叶盘模态局部化和振动响应特征。进而采用Paris裂纹扩展模型,结合椭圆形裂纹板应力强度因子的相关理论,对等效气动载荷作用下带裂纹叶片整体叶盘的裂纹扩展特性进行了研究,获得了带裂纹叶片的裂纹扩展曲线。通过对比研究,确定了叶片涂覆阻尼硬涂层后的裂纹扩展特性,表明硬涂层阻尼对叶片裂纹扩展具有明显的抑制效果。通过试验件的振动疲劳及裂纹扩展测试试验确认了振动疲劳裂纹的萌生和扩展规律,与仿真分析获得的带裂纹叶片的扫频“双峰”响应特性以及硬涂层对振动疲劳裂纹萌生和扩展抑制效果进行了对比,具有一致性。本文研究成果对掌握考虑结构特征的整体叶盘动力学建模、整体叶盘的耦合共振机理具有重要作用;所提出的整体叶盘振动抑制和抗疲劳的硬涂层阻尼技术具有创新性;考虑硬涂层阻尼的整体叶盘结构振动抑制与抗疲劳破坏机理及影响规律、基于硬涂层阻尼的整体叶盘减振多目标动态优化设计方法与结果、采用硬涂层进行主动失谐设计的方法和结果具有合理性,并通过了模型试验验证。本文研究成果可以为提高先进航空发动机整体叶盘的动力学设计水平、提高其运行安全性提供理论支撑和技术指导。