论文部分内容阅读
摘 要：为解决工作转速下失谐叶盘结构动力学特性分析计算量大的问题，提出一种近似CMS超单元法。该方法采用先预应力子结构后整体的分析方式，分析叶盘结构在工作转速下的动力学特性。通过循环对称分析法验证该方法的分析精度。采用模态测试及有限元法识别叶片失谐参数，基于近似CMS超单元方法分析某失谐叶盘结构在工作转速下的动力学特性。结果表明：谐调叶盘结构无量纲动频相对误差最大值为3.07%，满足分析精度要求。与循环对称分析法相比，近似CMS超单元法可用于谐调或周期失谐叶盘结构在工作转速下的动力学特性分析，并且适用于任意失谐叶盘结构。
关键词：失谐叶盘结构；CMS超单元法；子结构；模态测试；动力学特性
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）06-0117-05
0 引 言
叶盘结构作为航空发动机的重要零部件，其动力学特性直接影响发动机的工作可靠性及结构完整性。目前主要采用试验测量、有限元数值仿真研究叶盘结构的动力学特性。由于叶盘结构较大且叶片形状复杂，整体试验测试时，工作量很大，且有些测点振动很难测量，因此通常采用有限元法研究叶盘结构等大型复杂结构的动力学特性，由于分析精度的要求，叶盘模型划分网格及节点数较多，导致其节点自由度较大，对于普通计算机，直接求解叶盘模型动力学方程组是几乎不可能的。采用大型数值仿真工作站即使能够求解，也比较耗时。近年来国内外很多学者已经对复杂大型结构的动力学问题进行了广泛研究，其主要目的是建立高效的降阶方法，既有效减缩系统模型的自由度，又能满足实际结构分析精度要求。在国外，Guyan[1]和Irons[2]提出了自由度静态缩减法；Paz[3]提出了自由度动态缩减法。由于静态缩减法简单实用，一些学者在此基础上提出了几种模态综合法，如Hurty[4]提出了固定界面法、Hou[5]与Goldman[6]分别提出了自由界面法。Wei[7]在模态综合法的基础上提出了模态综合超单元法。在国内，王建军等[8]利用循环对称分析法对错频周期失谐叶盘系统的振动局部化特性进行了分析。周传月等[9-10]利用循环对称分析法对某燃气轮机谐调带冠叶片进行了耦合振动分析；采用模态综合超单元法对燃气轮机失谐叶盘系统进行了静频分析。秦飞等[11]采用直接分析法建立失谐叶盘系统整体有限元模型，分析其在工作转速下的动频。王培屹等[12]和臧朝平等[13]各提出了一种失谐叶盘动力响应预测的减缩计算方法，并通过实例验证了方法的分析精度，但上述两种缩减方法均未考虑转速（预应力）的影响。
综上，谐调或周期失谐叶盘结构可采用循环对称法分析其动力学特性，而任意失谐叶盘结构可采用模态综合法或直接法分析其动力学特性。由于直接法比较耗时，通常采用模态综合法。模态综合法要把叶盘结构划分成若干个子结构，而失谐叶盘结构的动频及动态响应分析是有预应力的子结构模态综合分析，经常采用先整体后子结构的分析方式，但这种分析方式仅适用中小模型，分析失谐叶盘结构等大模型非常耗时。基于以上不足，提出一种近似的模态综合分析方法，采用先预应力子结构后整体的分析方式，基于模态测试及有限元法识别叶片失谐参数，运用该近似模态综合法分析了某失谐叶盘结构的动力学特性。
4 结束语
本文针对现有方法分析有预应力失谐叶盘结构等复杂大型模型时存在的不足，提出了一种近似CMS超单元法。通过循环对称分析法验证了该方法的分析精度；采用模态测试及有限元法识别了叶片失谐参数；基于该近似CMS超单元方法分析了某失谐叶盘结构在工作转速下的动力学特性。结果表明：谐调叶盘结构无量纲动频相对误差最大值为3.07%，符合精度要求。与循环对称法相比，本文方法不仅可分析谐调、周期失谐叶盘结构在工作转速下的动力学特性，还可分析任意失谐叶盘结构在工作转速下的动力学特性。
参考文献
[1] GUYAN R J. Reduction of stiffness and mass matrices[J].AIAA J，1965，3（2）：380.
[2] IRONS B M. Structural eigenvalue problems： elimination of unwanted variables[J]. AIAA J，1965，3（5）：961-962.
[3] PAZ M. Dynamic condensation[J]. AIAA J，1984，22（5）：724-727.
[4] HURTY W C. Vibration of structural system by component mode synthesis[J]. Journal of the Engineering Mechanics Division ASCE，1960（86）：51-69.
[5] HOU S. Review of mode synthesis techniques and a new approach[J]. Shock and Vibration Bulletin，1969，40（4）：25-30.
[6] GOLDMAN R L. Vibrations analysis by dynamic partitioning[J]. AIAA J，1969，7（6）：1152-1154.
[7] WEI S T， PIERRE C. Statistical analysis of the forced response of mistuned cyclic assemblies[J]. AIAA J，1990，
28（5）：861-868.
[8] 王建军，于长波，李其汉. 错频叶盘结构振动模态局部化特性分析[J]. 航空动力学报，2009，24（4）：788-792.
[9] 周传月，邹经湘，闻雪友，等. 燃气轮机带冠叶片耦合振动分析[J]. 哈尔滨工业大学学报，2001，33（1）：129-133.
[10] 周传月，邹经湘，闻雪友，等. 燃气轮机失调叶盘系统的振动特性分析[J]. 燃气轮机技术，2000，13（3）：42-46.
[11] 秦飞，陈立明. 失调叶片-轮盘系统耦合振动分析[J]. 北京工业大学学报，2007，33（2）：126-128.
[12] 王培屹，李琳. 用于失谐叶盘动力学特性分析的减缩计算方法[J]. 航空动力学报，2014，29（6）：1395-1402.
[13] 臧朝平，段勇亮，PETROV E P. 失谐叶片轮盘的减缩建模及动力响应预测方法[J]. 航空学报，2015，36（10）：3305-3315.
[14] 张亮，袁惠群，韩清凯，等. 基于微动滑移摩擦模型的失谐叶盘系统振动分析[J]. 振动工程学报，2012，25（3）：289-293.
[15] 张亮，李欣，袁惠群. 基于模态测试及有限元法的叶片失谐参数识别[J]. 中国测试，2015，41（11）：16-19.
[16] 张亮. 航空发动机叶片轮盘系统振动特性及多长耦合力学特性研究[D]. 沈阳：东北大学，2013.
（编辑：刘杨）
关键词：失谐叶盘结构；CMS超单元法；子结构；模态测试；动力学特性
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）06-0117-05
0 引 言
叶盘结构作为航空发动机的重要零部件，其动力学特性直接影响发动机的工作可靠性及结构完整性。目前主要采用试验测量、有限元数值仿真研究叶盘结构的动力学特性。由于叶盘结构较大且叶片形状复杂，整体试验测试时，工作量很大，且有些测点振动很难测量，因此通常采用有限元法研究叶盘结构等大型复杂结构的动力学特性，由于分析精度的要求，叶盘模型划分网格及节点数较多，导致其节点自由度较大，对于普通计算机，直接求解叶盘模型动力学方程组是几乎不可能的。采用大型数值仿真工作站即使能够求解，也比较耗时。近年来国内外很多学者已经对复杂大型结构的动力学问题进行了广泛研究，其主要目的是建立高效的降阶方法，既有效减缩系统模型的自由度，又能满足实际结构分析精度要求。在国外，Guyan[1]和Irons[2]提出了自由度静态缩减法；Paz[3]提出了自由度动态缩减法。由于静态缩减法简单实用，一些学者在此基础上提出了几种模态综合法，如Hurty[4]提出了固定界面法、Hou[5]与Goldman[6]分别提出了自由界面法。Wei[7]在模态综合法的基础上提出了模态综合超单元法。在国内，王建军等[8]利用循环对称分析法对错频周期失谐叶盘系统的振动局部化特性进行了分析。周传月等[9-10]利用循环对称分析法对某燃气轮机谐调带冠叶片进行了耦合振动分析；采用模态综合超单元法对燃气轮机失谐叶盘系统进行了静频分析。秦飞等[11]采用直接分析法建立失谐叶盘系统整体有限元模型，分析其在工作转速下的动频。王培屹等[12]和臧朝平等[13]各提出了一种失谐叶盘动力响应预测的减缩计算方法，并通过实例验证了方法的分析精度，但上述两种缩减方法均未考虑转速（预应力）的影响。
综上，谐调或周期失谐叶盘结构可采用循环对称法分析其动力学特性，而任意失谐叶盘结构可采用模态综合法或直接法分析其动力学特性。由于直接法比较耗时，通常采用模态综合法。模态综合法要把叶盘结构划分成若干个子结构，而失谐叶盘结构的动频及动态响应分析是有预应力的子结构模态综合分析，经常采用先整体后子结构的分析方式，但这种分析方式仅适用中小模型，分析失谐叶盘结构等大模型非常耗时。基于以上不足，提出一种近似的模态综合分析方法，采用先预应力子结构后整体的分析方式，基于模态测试及有限元法识别叶片失谐参数，运用该近似模态综合法分析了某失谐叶盘结构的动力学特性。
4 结束语
本文针对现有方法分析有预应力失谐叶盘结构等复杂大型模型时存在的不足，提出了一种近似CMS超单元法。通过循环对称分析法验证了该方法的分析精度；采用模态测试及有限元法识别了叶片失谐参数；基于该近似CMS超单元方法分析了某失谐叶盘结构在工作转速下的动力学特性。结果表明：谐调叶盘结构无量纲动频相对误差最大值为3.07%，符合精度要求。与循环对称法相比，本文方法不仅可分析谐调、周期失谐叶盘结构在工作转速下的动力学特性，还可分析任意失谐叶盘结构在工作转速下的动力学特性。
参考文献
[1] GUYAN R J. Reduction of stiffness and mass matrices[J].AIAA J，1965，3（2）：380.
[2] IRONS B M. Structural eigenvalue problems： elimination of unwanted variables[J]. AIAA J，1965，3（5）：961-962.
[3] PAZ M. Dynamic condensation[J]. AIAA J，1984，22（5）：724-727.
[4] HURTY W C. Vibration of structural system by component mode synthesis[J]. Journal of the Engineering Mechanics Division ASCE，1960（86）：51-69.
[5] HOU S. Review of mode synthesis techniques and a new approach[J]. Shock and Vibration Bulletin，1969，40（4）：25-30.
[6] GOLDMAN R L. Vibrations analysis by dynamic partitioning[J]. AIAA J，1969，7（6）：1152-1154.
[7] WEI S T， PIERRE C. Statistical analysis of the forced response of mistuned cyclic assemblies[J]. AIAA J，1990，
28（5）：861-868.
[8] 王建军，于长波，李其汉. 错频叶盘结构振动模态局部化特性分析[J]. 航空动力学报，2009，24（4）：788-792.
[9] 周传月，邹经湘，闻雪友，等. 燃气轮机带冠叶片耦合振动分析[J]. 哈尔滨工业大学学报，2001，33（1）：129-133.
[10] 周传月，邹经湘，闻雪友，等. 燃气轮机失调叶盘系统的振动特性分析[J]. 燃气轮机技术，2000，13（3）：42-46.
[11] 秦飞，陈立明. 失调叶片-轮盘系统耦合振动分析[J]. 北京工业大学学报，2007，33（2）：126-128.
[12] 王培屹，李琳. 用于失谐叶盘动力学特性分析的减缩计算方法[J]. 航空动力学报，2014，29（6）：1395-1402.
[13] 臧朝平，段勇亮，PETROV E P. 失谐叶片轮盘的减缩建模及动力响应预测方法[J]. 航空学报，2015，36（10）：3305-3315.
[14] 张亮，袁惠群，韩清凯，等. 基于微动滑移摩擦模型的失谐叶盘系统振动分析[J]. 振动工程学报，2012，25（3）：289-293.
[15] 张亮，李欣，袁惠群. 基于模态测试及有限元法的叶片失谐参数识别[J]. 中国测试，2015，41（11）：16-19.
[16] 张亮. 航空发动机叶片轮盘系统振动特性及多长耦合力学特性研究[D]. 沈阳：东北大学，2013.
（编辑：刘杨）