双转子航空发动机整机振动建模与分析

针对实际的双转子航空发动机,建立了航空发动机双转子-支承-机匣耦合动力学模型.在耦合模型中,利用有限元方法对转子和机匣系统进行建模;支承系统采用了集总参数模型,计入了滚动轴承和挤压油膜阻尼器的非线性;定义了5种支承和连接方式,以适应复杂的双转子航空发动机转子-支承-机匣耦合系统建模.运用Newmark-β法和改进的Newmark-β法(翟方法)相结合的数值积分获取系统非线性动力学响应.最后进行了航空发动机的整机振动分析,分析了系统临界转速、应变能及不平衡响应灵敏度,研究了挤压油膜阻尼器的减振特性以及系统突加不平衡的瞬态响应.     

内外激励下双转子系统非线性动力学特性研究

针对含中介轴承的双转子系统,在考虑转子不平衡和中介轴承非线性因素的基础上,推导并建立了双转子系统的非线性动力学模型,研究了内外激励下双转子系统的非线性动力学特性。首先,针对建立的双转子-中介轴承系统非线性动力学模型,研究了双转子系统的幅频响应,获得了高低压转子的主共振特性;其次,考虑双转子系统非线性参数的影响,分析了内外激励下双转子系统的非线性动力学响应,通过分岔图、轴心轨迹图、庞加莱截面图、时域波形图和频谱图等,获得了不平衡影响下高低压转子在激励频率变化下的运动状态和频率特征;最后,分析了不平衡量对双转子系统非线性响应特性的影响,研究了不平衡量变化下高低压转子动力学特性的演变规律。研究结果可为双转子系统动力学特性设计和高低压转子故障诊断提供参考。     

反向旋转双转子系统加速响应特性研究

以五支点双转子系统为研究对象,开展反向旋转双转子系统加速响应特性研究。结合有限元分析软件,利用固定界面模态综合法建立反向旋转双转子试验器的瞬态动力学模型,研究反向旋转双转子系统加速过程中加速时域特性、进动转速变化特性及内外转子盘质心变化规律。研究结果表明,转子各截面加速响应特性与系统各阶临界转速及振型有密切联系;加速过程中存在复杂的非协调进动;内、外转子分别在以各自为主激励的临界转速附近发生质心换向;经试验验证,试验数据与计算结果吻合性较好。     

外转子支点不同心的双转子系统振动特性

根据航空发动机双转子的结构特点建立双转子系统模型及振动方程。将外转子支点不同心的影响转化为支承上的等效不同心弯矩,并通过力矩分解处理得到系统的振动方程。利用求解效率较高的二维谐波平衡法进行求解,并采用Runge-Kutta法验证其求解精度。研究结果表明:外转子支点不同心使系统的幅频响应产生新的共振区,在该共振区内系统的振动响应中包含2倍频成分;随着不同心偏差量的增大,2倍频响应成分愈加明显,并逐渐成为系统振动响应的主导频率。此外,转子轴心轨迹形状改变显著。研究成果可作为不同心故障的动力学特征和诊断依据。     

液体火箭发动机涡轮泵转子的新型动平衡方法研究

针对液体火箭发动机涡轮泵的运行特点,提出了利用起动过程的不平衡响应信息进行涡轮泵转子模态平衡的两种新方法。方法1将转子的前两阶模态不平衡分别等效为模态不平衡方位角和模态不平衡大小,在前两阶临界区内,通过转子的升速不平衡响应信息识别出对应阶模态不平衡方位角,然后利用各阶模态间的正交关系,添加合理的平衡试重组,通过两次升速起动过程完成转子前两阶模态的平衡;方法2引入了测点模态比的概念,在3圆平衡法的基础上,通过4次升速起动过程,完成了转子前两阶模态的平衡。最后通过模型实验对所提出的两种新型平衡方法进行了验证     

利用子结构模态的结构随机响应精确综合

提出基于固定界面子结构模态的结构随机响应精确综合方法。首先用固定界面子结构的中阶模态与精确剩余约束模态表达子结构频域位移;再利用界面力与位移的协调关系进一步消去界面自由度,建立双协调的精确缩聚变换;然后根据里兹法,得到结构精确综合的广义频响函数;并由此独立地计算各子结构的功率谱密度,进一步得到其均方值等响应统计;最后通过数值结果验证该方法的综合能力与准确性。     

含螺栓连接转子系统非线性振动特性研究

针对航空发动机转子大量采用的螺栓法兰连接,建立了连接结构的力学模型,定性给出了两段转子在相对弯曲时连接部位弯矩的分段线性参数化模型。应用状态空间理论和数值计算方法对一个含螺栓连接的转子系统进行了数值模拟,研究其模态特性和稳态动力学响应。研究表明,分段线性变化连接刚度对中转速段尤其是二阶临界转速附近的模态和稳态动力学响应产生较大影响,而转子系统在低速段和高速段保持相对稳定的、可线性化的运动。分析了预紧力对转子运动特性的影响,发现预紧力对转子系统运动稳定性影响显著,在一定范围内增大预紧力会使系统不稳定加剧,但会缩短不稳定运动的区间范围。     

水下爆炸不同冲击环境下的舰载设备响应分析

为了研究不同冲击环境下的舰载设备的响应及激励力频率对设备响应的影响,对不同类型和重量设备的响应进行了数值仿真和理论分析。将舰载设备在冲击载荷作用下的受力模型简化为基础激励的多自由度系统,利用虚拟约束边界模态方法建立了不同冲击环境下多自由度系统响应的计算方法,通过系统的频响函数分析激励力频率对设备响应的影响。结果表明:冲击谱参数中谱位移和谱速度对设备响应影响较大,而谱加速度大幅变化对设备响应基本无影响;当激励力频率大于舰载设备中各主要子结构中最高的低阶自由界面模态截断频率的两倍时,可忽略激励力对设备响应的影响。分析结果可对舰载设备在冲击载荷作用下的响应分析及抗冲击评估提供参考。     

复杂转子系统支承阻尼优化设计

用拟模态综合法分析计算复杂转子系统的不平衡响应,以系统的不平衡响应和支承动载荷为目标函数,对支承阻尼进行了优化设计。通过对一双转子系统的分析计算,说明所提出的理论、方法对于旋转机械的动力特性设计和改进是有价值的。     

轴向预紧作用下的组合转子轴系模态特性研究

组合转子轴系结构是空天动力装备中发动机转子系统的主要结构,由于轴系中各部件接触面的存在使得转子系统动力学特性难以准确掌握,当涉及转子工作转速裕度时会产生一定的设计风险。针对组合转子轴系单主轴多部件轴向预紧结构特点,考虑转子不同接触面之间非线性连接参数,提出一种综合利用薄层单元和零长单元建模的两步模型修正方法,采用基于响应面优化的静态结构非线性分析以及基于随机统计学模型的粗糙表面接触分析进行薄层单元材料参数以及零长单元接触刚度系数识别,建立组合转子轴系动力学模型。根据某型发动机氢涡轮泵转子结构特点设计制造转子试件,对其自由模态进行试验研究,得到了不同螺纹预紧状态以及轴向预紧作用对组合转子轴系前两阶模态特性的影响。对比试验数据可知所提模型优化方法可以很好地反映出不同轴向预紧作用下组合转子轴系前两阶模态频率的变化趋势,在转子模态参数线性变化范围内计算误差小于1%,验证了该方法的正确性和有效性,为组合转子轴系精细化建模提供了参考依据。     

复杂转子系统支承阻尼优化设计

本文用拟模态综合法分析计算复杂转子系统的不平衡响应;以系统的不平衡响应和支承动载荷为目标函数,对支承阻尼进行了优化设计。通过对一双转子系统的分析计算,说明本文所提出的理论、方法对于旋转机械的动力特性设计和改进是有价值的。     

挠性机器人机构频率分析的自由子结构法

频率分折对于设计出好的动力学和控制性能的机器人有重要意义。机器人关节是一种复杂连接,不能用常规的子结构法分析。本文将双协调动态子结构法和中用于连接件耦台系统的模态综合法相结合,当子结构模态分析完成后,先实现系统方程的弹性耦合,再利用位移和对接力协调关系进行系统方程装配和座标缩减。用带有集中质量的空间梁单元模拟结构,子结构全为悬浮体,在局部座标系中求出刚体模态、保留主模态和剩余惯附模态。全部过程编成计算机程序。实例计算表明了该法的有效性。     

自由界面模态综合法并行动响应分析

利用模态综合法技术结合并行机特点提出一个求解复杂系统动响应的模态综合法。该方法可不必求整体模态，而利用子结构连接条件直接确定各子结构的动响应，算例表明该方法是有效的，并且具有较高的并行效率     

大功率风电齿轮箱系统耦合动态特性研究

大功率风电齿轮箱为风力发电机组关键部件之一,其工作特性对风电机组稳定运行具有重要影响。针对某大功率风电齿轮箱参数及工况,考虑斜齿轮副时变啮合刚度和传递误差激励,建立齿轮箱传动系统子结构模型;基于均匀弯曲Timoshenko理论,建立齿轮箱箱体子结构模型;根据传动子结构和箱体子结构系统变形协调条件,建立大功率风电齿轮箱系统耦合动力学模型,对系统振动响应进行计算分析。研究表明:各级齿轮啮合激起结构响应频率,结构响应频率与系统齿轮啮合频率未发生共振;在系统振动加速度响应频率成分中,除三级齿轮传动啮合频率外,存在调频现象,并将研究结果与试验结果进行对比分析。     

拉杆松弛导致预紧失谐组合转子性能退化研究

由结构损伤导致性能退化角度出发,分析拉杆松弛引起的预紧失谐组合转子性能退化特性。利用跨尺度计算方法获得轮盘界面接触刚度并对接触界面等效处理,提出考虑粗糙界面及预紧的组合转子动力学建模方法。在此基础上进行组合转子动力学分析,获得组合转子固有频率随时间变化规律;建立以组合转子频率相对降低量表征其性能退化量的定量评估方法,对退化数据进行处理并描述组合转子退化轨迹,实现拉杆松弛引起的组合转子性能退化定量评估;对初始预紧失谐程度相同的组合转子进行不平衡响应分析,获得预紧失谐组合转子退化特征。结果表明,组合转子性能退化量参数服从指数函数分布,负失谐对组合转子不平衡响应影响较大。     

曲梁周期结构隔振器特性研究

利用曲梁具有径向刚度和切向刚度耦合以及波形转换的特性,设计了具有低频宽频带隙的曲梁周期结构隔振器。该隔振器由多层面板-支撑曲梁结构构成。针对曲梁对边支撑的结构,推导了分析含有内部自由度的周期结构的能带结构以及利用子结构迭代法进行响应求解的一般公式,并进行了验证,该子结构迭代法特别适合于周期数较多的复杂周期结构的响应求解。对带隙起始频率和终止频率所对应的结构模态进行了分析。讨论了曲梁和面板结构参数变化对周期结构隔振器带隙结构的影响。并且对一对边支撑的曲梁周期结构隔振器进行试验研究,测得其原点导纳和传递导纳,验证了这种周期结构低频宽频带隙的存在和建模方法的正确性。     

利用POD方法的固定界面模态综合技术

利用POD(Proper Orthogonal Decomposition)方法结合固定界面模态综合方法,提出了一种求解局部非线性问题的降阶方法.该方法将系统分成线性、非线性子结构.对于非线性子结构,利用POD方法构造POM(ProperOrthogonal Mode)来代替传统的线性模态,然后利用线性约束模态代替非线性约束模态.文中通过算例说明了所提方法的有效性.通过此方法,避免了求解整个系统的响应,可以将POD降阶方法推广到含局部非线性的大型有限元模型.此外还提出采用一种更新的线性约束模态来近似估算非线性约束模态的方法,并利用该方法证明了当非线性子结构为弱非线性时,用线性约束模态代替非线性约束模态的合理性.     

多级齿轮传动转子系统的模态缩减与振动特性分析

提出了一种适用于多级齿轮传动转子系统的模态缩减法,以某透平驱动水泵系统为研究对象,采用有限元法建立了系统的动力学模型,并利用模态缩减法减少了系统自由度.在此基础上研究了系统的固有特性、不平衡量与静态传递误差引起的稳态响应、启动状态下的瞬态响应以及稳定运转下突加不平衡时的瞬态响应.结果表明,在计算系统的固有频率和稳态响应...     

机匣-双转子高维系统建模与实验验证

以机匣-双转子实验台为研究对象,基于ANSYS建立了可表征复杂结构的高精度实体有限元模型,应用Craig-Bampton模态综合方法实现了子模型维度缩减与整机动力学模型的组装。通过对比临界转速和振型验证了缩减模型的有效性,借助三维频谱图和轴心轨迹,分析了系统稳态响应特征,进行了实验验证。结果表明,发展的机匣-双转子系统建模及模型缩减方法精确、高效,为实际航空发动机机匣-双转子系统的动力学研究提供了参考。     

求解动态子结构的大质量界面虚拟激励法

为提高大型结构随机激励的计算效率,解决不同类型组合结构的动力求解问题,提出一种动态子结构求解方法。在各子结构界面的质量矩阵上分别附加大质量单元,并直接在大质量单元上施加两次不同幅值的虚拟激励荷载,确保相邻子结构界面上的加速度响应协调;根据不同子结构界面上的内力平衡条件和线性关系建立界面力平衡方程组,求解出能够保证各子结构之间加速度响应和内力同时协调平衡的虚拟激励荷载幅值;通过求出的虚拟激励荷载分别计算各子结构的真实响应。该方法与传统的模态综合法相比,避免了模态坐标和物理坐标的反复转换,并能直接考虑子结构的高频特性;与机械导纳法相比,减小了综合方程规模,求解更为简便,并适用于外荷载激励和地震下基础加速度激励同时输入的情况。最后通过不同类型的仿真算例验证了该方法的正确性。