组合式涡轮后承力机匣的动力学建模方法研究

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组合式涡轮后承力机匣是航空燃气涡轮发动机的关键结构,一般由主承力构件、形成流道的构件和其它相关功能构件等大量构件组成,采用以螺栓连接为主的、包含浮动搭接等不同形式的连接形式,结构非常复杂,动力学建模难度很大。本文主要基于超模型、连接结构建模、模型修正等理论方法,研究了某组合式涡轮后承力机匣的动力学建模方法,并进行了试验验证。取得的成果主要如下:(1)研究了组合式后承力机匣动力学建模的理论方法,主要包括超模型的建模理论方法、连接结构的建模理论方法以及模型修正的理论方法等。其中连接结构的建模理论方法主要包括搭接结构的建模理论方法与基于薄层的螺栓连接结构建模方法。(2)研究了组合式涡轮后承力机匣的超模型建模方法,对组合式涡轮后承力机匣的结构特点进行了分析,从部件到连接件逐步建立了496万自由度的组合式后承力机匣的整体超模型,并进行了动力学特性分析。其中,对于不同的连接方式选用不同的建模方法,针对支板搭接处采用了接触建模方法、针对螺栓连接采用了基于薄层的建模方法,以此来模拟实际的连接特性,更加真实反映组合式后承力机匣的动力学特性。(3)研究了组合式涡轮后承力机匣的模型简化与模型修正方法,采用二阶六面体单元建立了44万自由度组合式涡轮后承力机匣的简化模型,并以超模型仿真数据作为参考,对简化模型进行了修正,既降低了简化模型的自由度,又提高了简化模型的精度,大大提高了仿真计算效率。相比超模型,简化模型自由度降低91%,而1000Hz以下对应模态的频率精度保持在7%以内。(4)研究了组合式涡轮后承力机匣的模态试验方法,针对后承力机匣结构复杂、模态复杂的问题,采用模态测试优化技术,并结合结构特点,制定了合理有效的模态测试方案,实现了机匣模态的虚拟测试分析和全尺寸机匣的试验测试,获取了有效、可靠的模态试验数据。同时结果表明,超模型的仿真计算的500Hz以下模态频率与试验结果误差小于5%,从而验证了超模型建模方法的有效性。本文的相关理论方法也可以支撑航空燃气涡轮发动机其他机匣结构的动力学建模,特别是在设计阶段无实体样机时的机匣动力学建模。
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