旋转裂纹叶片动力学建模与振动特性研究

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航空发动机经常工作在高温高压的极端环境中,高速旋转状态下叶片容易产生裂纹导致故障发生,为即时发现裂纹以保证飞机安全性,需要对叶片的运行状况进行实时监测。叶端定时和叶尖间隙动态测试是实现在线监测的重要技术,但其测量受到机匣、被监测叶片、转子等结构的静动力学行为的综合影响,而叶片-轮盘在多源激励作用下的耦合机理缺乏清晰的认识,制约了测量的精度和可靠性,并且裂纹会诱发叶片产生复杂的非线性动力学行为,因此迫切需要开展裂纹叶片-轮盘耦合动力学建模方法研究。围绕这一研究主题,本文从纵向和横向两条研究路线开展了研究。首先在纵向层次,针对旋转裂纹叶片的动力学特性开展了研究,基于接触动力学理论建立了裂纹叶片-轮盘有限元模型,以叶尖位移为重点研究目标,从零件级和组件级两个角度分析了不同结构参数、载荷参数对叶片振动响应的影响;其次在横向层次,将叶片简化为梁结构,基于近场动力学理论建立了两自由度非局部梁模型,分析了梁结构的固有特性。本文的主要研究内容如下:(1)在零件级层面,基于ANSYS参数化编程语言并采用接触动力学理论描述裂纹的呼吸效应,建立了裂纹叶片的有限元模型,实现了不同裂纹参数下叶片的自动化建模方法,基于该有限元模型分析了不同裂纹参数(裂纹角度、裂纹位置以及裂纹深度)对叶片固有特性的影响,研究了不同裂纹参数和不同载荷激励下叶片的振动响应,为组件级研究奠定了基础。(2)在组件级层面,在零件级模型的基础之上考虑了榫连结构的非线性接触,建立了含榫连结构的旋转裂纹叶片有限元模型,分析了不同裂纹参数、不同接触变量对旋转裂纹叶片动力学特性的影响。(3)在组件级层面则更进一步地考虑了碰摩的影响,建立了考虑碰摩的含榫连结构的旋转裂纹叶片有限元模型,根据叶片和机匣的几何关系得到了叶尖的侵入量和碰摩力表达式,接着分析了裂纹、碰摩复合故障下不同机匣参数和不同裂纹参数对系统榫头接触面压力、滑移距离、叶尖位移响应以及裂纹表面接触压力的影响。(4)传统有限元方法在分析微小裂纹或动态裂纹对结构动力学特性的影响存在一定局限性,为解决这一问题,基于近场动力学理论建立了两自由度非局部梁模型,通过三个算例验证了模型的正确性,并基于该模型分析了非局部梁的固有特性和非局部参数对固有特性的影响。综上所述,本文基于参数化有限元模型系统性地分析了不同裂纹参数、载荷参数以及其他结构参数对叶片振动特性的影响,同时基于近场动力学理论建立了两自由度的梁模型并分析了其固有特性,为近场动力在分析裂纹对结构的振动特性方面的应用奠定了基础。
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