考虑振动--冲击--摩擦的叶片动力学特性研究

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航空发动机属于高速叶轮机械,是复杂旋转机械设备的代表。在实际使用中其故障种类非常繁多,但主要体现为振动故障。发动机的整机振动属于多部件,多层次的振动耦合问题,有效的抑制发动机的振动是衡量其整体性能的一项重要指标。叶片作为发动机的核心部件,其性能直接影响着发动机运行的安全性与稳定性。据统计,叶片的故障占发动机振动故障的70%以上。尤其是在新机研制阶段,叶片故障更是屡见不鲜。如由于振动量过大,导致叶片发生疲劳断裂;由于转子的不平衡不对中或是机匣的热变形等,导致叶片叶尖与机匣之间发生接触碰撞以致叶片发生断裂,甚者造成将外部机匣打穿等重大事故,无疑这将给国家带来极大的损失。本文主要研究的是考虑振动、冲击和摩擦等因素,对发动机叶片的动力学特性的影响。首先,基于连续体的解析模型定性的分析了叶片动频、静频与转频之间以及动频系数的数学表达式;基于Euler-Bernoulli梁单元理论的有限元模型,推导了离心刚化效应产生的离心刚度矩阵;基于ANSYS的Timoshenko梁有限元模型等三种模型,运用数值计算的方法研究了旋转态下叶片的固有频率特性。然后,将单个带冠叶片简化为旋转态下的悬臂梁模型,采用解析和有限元两种方法,研究了考虑叶冠冠间碰撞摩擦的叶片动力学特性;诠释了叶冠间通过碰撞摩擦耗散振动能量以达到叶片减振的机理;并将影响叶冠振动特性的主要参数,如发动机的转速、冠间初始间隙以及冠间接触弹性刚度等引入模型,通过改变参数的数值,研究干摩擦阻尼的减振效果。最后,针对叶盘系统叶尖与机匣(即转—静子)之间的“模态接触”问题,将叶盘系统与机匣模化为质点模型,建立了两结构在模态坐标下的动力学方程;给出了质点模型下叶盘系统与机匣的模态坐标与整体直角坐标之间的变换矩阵;根据Hamilton变分原理建立了叶盘系统与机匣的统一方程,并结合中心差分法计算了每个叶片与机匣之间的间隙。
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