汽轮机自带冠叶片碰撞减振的研究现状与发展

自带冠叶片冠间接触碰撞减振结构具有减振、方便安装与检修、制造精度要求低等优点,已广泛用于汽轮机设计制造并在多台汽轮机上安全运行多年,但目前对这种结构的减振机理和减振效果的研究却很不全面。结合国内外碰撞振动理论的研究成果,从自带冠叶片的碰撞振动特性、动力学模型、数值方法和实验研究等方面来介绍该领域的研究现状,着重阐述对该领域相关发展方向的一些看法,最后展望该领域以后需深入研究的几个关键问题。     

航空发动机自带冠叶片减振特性研究

摘 要：将自带冠叶片模化为质量弹簧模型。自带冠叶片减振主要是由于冠间碰撞和摩擦的组合运动来实现的,因此本文将冠间的接触简化为带对称间隙的弹簧阻尼模型,摩擦模型采用Sgn模型,从而建立该系统的动力学方程,进而采用Runge-Kutta数值方法求解系统的动力学方程。本文主要探讨了冠间间隙、刚度比、接触角度、摩擦系数等多种参数对减振效果的影响。结果表明：叶片的振动能量与冠间间隙、刚度比、接触角度、摩擦系数等参数有关,参数选取要考虑工作转速的范围。冠间的碰摩组合运动为硬式分段线性的非线性振动,因此本文同时采用Poincaré映射图和频谱图等方法对系统的非线性特性进行了一定的研究。
     

构件跌落碰撞的数值模拟研究

针对构件跌落碰撞问题,将Hertz-damp模型与有限元方法结合,给出了结构碰撞位移突加约束条件,建立了碰撞结构体系的动力方程。该方法能考虑碰撞体质量分布对碰撞过程的影响,同时可描述结构碰撞过程中的刚度非线性和能量损失。建立了构件跌落碰撞模型,初步分析了跌落构件质量、质量分布以及跌落高度等参数对碰撞过程的影响。研究表明:结构碰撞模拟中碰撞体质量沿接触面法线轴向不对称时应考虑其质量分布,否则会高估碰撞反应;碰撞荷载峰值和单次碰撞持续时间与跌落构件质量和跌落高度均成指数关系,碰撞荷载峰值随跌落构件质量和跌落高度增大而增大,而单次碰撞持续时间则随跌落构件质量增大而增大,随跌落高度增大而减小。这些规律能为减轻结构碰撞破坏研究提供参考。     

基于LuGre摩擦模型的叶片碰撞摩擦特性研究

建立了基于LuGre摩擦模型的叶片冠间碰撞摩擦模型,研究了叶片冠间接触碰撞和摩擦的动力学特性和减振机理。并研究了冠间间隙、动静摩擦系数对成组自带冠叶片碰撞摩擦减振效果的影响。通过分析摩擦过程中鬃毛的变形,对LuGre模型进行有条件的简化,研究了带冠叶片接触碰撞运动和摩擦运动的分岔特性。研究结果表明,LuGre摩擦模型可以更加完善的描述预滑动阶段叶片冠间的摩擦特性。     

大跨度悬索桥主引桥碰撞效应振动台试验及数值研究

为了研究大跨多塔连跨悬桥与引桥间的碰撞效应,以泰州长江公路大桥为背景,设计并制作1/40缩尺比例模型,进行了全桥振动台模型试验。主桥采用中塔与主梁间无连接的纵向约束结构体系,边跨梁每幅采用2个固定支座和4个聚四氟乙烯滑板支座,初始伸缩缝间隙为3 mm,试验分别测试了3条地震波下主引桥间的碰撞响应。振动台试验表明,主桥与引桥相互靠近运动时,主引桥间的碰撞会减小引桥梁位移及固定墩内力的需求;当主桥追逐引桥运动时,主引桥间的碰撞会增大引桥梁位移及内力的需求。数值模拟结果表明:采用SAP2000商业软件组合Kelvin单元,接触刚度取引桥梁轴向刚度的0.2倍时,能较好的模拟试验结果;接触刚度取值可为相似桥梁碰撞效应模拟提供试验参考。     

非接触爆炸冲击载荷对防盗门作用数值模拟研究

为实现反恐行动中非接触爆炸冲击波破门目标,针对金属防盗门实际条件建立数值仿真模型,重点研究了防盗门在非接触爆炸冲击载荷作用下塑性变形破坏过程及规律。结果表明：相同爆炸冲击载荷作用下,实际转动条件防盗门板塑性变形动力响应时间延长,最大变形量远大于四边固支条件下门板变形量;爆炸中心与防盗门距离过近,门板受爆炸产物和空气冲击波共同作用,只出现局部破坏,不能实现门板整体塑性变形;拟合了防盗门板在非接触爆炸冲击载荷作用下变形量计算式,可为反恐破门弹药设计提供依据。     

三质体斜碰撞振动的动力学和减振研究

将自带冠叶片组简化为三质量块-弹簧系统模型,质体间接触为斜碰撞。建立该系统的动力学方程并列写碰撞条件,采用数值模拟方法研究系统的动力学行为,探讨质块间隙、接触面倾角等参数对减振效果的影响。研究结果表明,质块间隙和接触面倾角大小对碰撞减振效果有很大影响,存在最优间隙和对碰撞减振效果不利的接触面倾角范围,工程设计中应予以考虑。在动力学方面,随着转速提高,质块振动响应会在混沌状态和周期运动状态之间发生拓扑结构的突变。     

结构碰撞数值模拟的一类接触算法

本文提出了用于结构碰撞数值模拟的接触算法,包括接触搜索算法和接触力算法。在全局搜索过程中,引入了立方格和链表技术,使搜索的运算量由现有的O(Nlog₂N)降低为O(N)。在局部搜索过程中使用了自由曲面造型技术,提高了搜索精度,消除了“死区”现象。为便于与现有有限元软件连接,将全局搜索与局部搜索合并进行。本文给出的接触力算法既与显式时间积分格式相容,又能充分满足接触约束条件。文中给出了数值算例。     

运输车辆碰撞事故对在建隧道影响的数值模拟

利用显式非线性有限元法对在建狭长隧道施工中运输车辆碰撞事故进行数值模拟,并研究事故对周围隧道产生的影响。为准确的模拟运输车辆碰撞时对周围隧道的影响,基于拟实建模方法,建立了大型输水工程青草沙隧道及运输车辆的三维有限元模型。通过三维动态接触方法来模拟轮轨之间的动力相互作用,能够模拟打滑、脱轨等实际接触情况。采用了基于罚函数的接触算法和基于段分类的搜索方式,对该大型输水工程隧道在运输车辆发生碰撞时的动态响应进行仿真计算。分析了运输车辆发生碰撞后车与管片的运动规律,以及在建隧道的动态响应,这对事故的防范及处理有指导作用。利用上海超级计算机曙光5000A进行并行计算,分析了对于大型工程问题的模拟仿真采用并行计算的加速效果。     

桥梁结构地震碰撞分析模型的碰撞刚度计算方法研究

针对桥梁结构地震碰撞模拟问题,文中分别推导了基于波动理论的直杆共轴碰撞模型和基于接触单元法的刚体碰撞模型中相应的最大碰撞变形的计算式,并基于二者相等的关系给出了Kelvin模型和Hertz-damp模型中相应碰撞刚度的计算方法,并对所建议方法的合理性和精确度进行了验证分析。研究结果表明,文中建立方法计算的Kelvin模型的碰撞刚度数值明显小于较短主梁的轴向刚度,这一点与以前学者基于实测数据分析得到的结论相一致。数值分析结果表明,相比以前的碰撞刚度计算方法,采用本文建议的方法确定Hertz-damp模型的碰撞刚度时,可以显著提升其碰撞模拟精确度。     

空气源热泵冷热水机组的系统仿真与实验研究

建立空气源热泵冷热水机组的稳态仿真模型，进行变工况稳态工作性能预测，用FORTRAN90语言编制程序，软件编译环境为POWERSTATION，并在50kW空气源热泵冷热水机组人工环境模拟实验台上进行验证实验，实验结果和仿真计算结果吻合良好。同时，通过实验结果和仿真计算结果分析外界环境温度和供水温度变化时，空气源热泵冷热水机组的系统性能参数和状态参数的变化规律和原因，为系统的优化匹配提供理论依据。     

Vibration based damage detection of rotor blades in a gas turbine engine

This paper describes the problems concerning turbine rotor blade vibration that seriously impact the structural integrity of a developmental aero gas turbine. Experimental determination of vibration characteristics of rotor blades in an engine is very important from fatigue failure considerations. The blades under investigation are fabricated from nickel base super alloy through directionally solidified investment casting process. The blade surfaces are coated with platinum aluminide for oxidation protection. A three dimensional finite element modal analysis on a bladed disk was performed to know the likely blade resonances for a particular design in the speed range of operation. Experiments were conducted to assess vibration characteristics of bladed disk rotor during engine tests. Rotor blade vibrations were measured using non-intrusive stress measurement system, an indirect method of blade vibration measurement utilizing blade tip timing technique. Abnormalities observed in the vibration characteristics of the blade tip timing data measured during engine tests were used to detect the blade damage. Upon disassembly of the engine and subsequent fluorescent penetrant inspection, it was observed that three blades of the rotor assembly were identified to have damaged. These are the blades that exhibited vibration abnormalities as a result of large resonant vibration response while engine tests. Further, fractographic analysis performed on the blades revealed the mechanism of blade failures as fatigue related. The root cause of blade failure is established to be high cycle fatigue from the engine run data history although the blades were put into service for just 6 h of engine operation.     

重载摆角铣头模态分析与实验研究

重载摆角铣头是重型五轴联动数控机床的重要功能部件,用于大型复杂曲面的加工。这类铣头的特点是必须同时实现回转和摆角等多自由度运动、结构紧凑、重载和高刚度。掌握铣头的模态特性及其影响因素之间的关系,是重载摆角铣头自主研发必须解决的关键问题。为此,提出一种多约束方式下的理论分析与实验验证相结合的综合研究方法。在理论分析方面,模拟铣头悬挂状态和实际工况两种约束方式,对摆角铣头进行了模态分析和比较,相互验证两种约束状态下理论分析的正确性。在实验研究方面,铣头箱体采用自由支撑、铣头整体采用原装固定的方式分别进行了模态实验研究,并将实验研究结果和上述理论分析结果进行了比较和分析。从而得到铣头准确的模态特性、薄弱环节及其影响因素,为国产重载摆角铣头的结构优化设计和改进提供理论与实验支持。     

格栅式地板送风口射流的理论与实验研究

针对地板送风的特点,综合考虑温差射流和重力的影响,得出计算格栅式地板送风口射流的速度和温度分布的公式。与实验结果的对比表明,公式计算结果可以满足工程计算要求。在不同送风参数和送风口尺寸条件下,计算并分析各参数对格栅式地板送风口射流的影响规律。     

空间载荷作用下金属橡胶材料静态实验研究

研究了金属橡胶材料在空间载荷作用下其性能变化,载荷作用到金属橡胶材料各个方向上大小不同,其在各个方向性能也不同。利用所研制的专门的实验装置,对在一个方向上改变金属橡胶材料的载荷,在其余的方向上发生变化的情况进行了实验研究。得到的结果能够应用到由金属橡胶材料制备的减振件、隔振件等,满足了在使用过程中对其机械性能的调整。     

直升机桨叶鸟撞试验方法的数值模拟

由于直升机旋翼的工作特点,使得全尺寸旋翼鸟撞试验很难进行,而在飞行器结构抗鸟撞的设计过程中,鸟撞试验是最终、最有效的检验方法,因此开展直升机桨叶鸟撞试验研究十分必要.采用Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE)流固耦合方法分别对旋转状态的桨叶鸟撞以及端部受集中载荷作用的静止状态桨叶鸟撞进行了数值模拟,通过数值模拟结果对比,发现两种状态下桨叶的动态响应结果很接近,说明采用集中载荷替代离心载荷的静态鸟撞试验可以较好地模拟旋转状态下桨叶鸟撞试验,从而为直升机动部件鸟撞试验研究提供理论依据.     

变频空调器保护点设计的可靠性试验研究

通过对变频空调器的排气温度、IPM功率模块温度、电源模块温度、冷凝器中部温度、电流随空调器频率变化以及室外环境温度变化规律的试验研究,提出一种变频空调器保护点设计方法。     

湍流超细粉碎机粉碎腔内单相流场的数值模拟

为了认识湍流超细粉碎机粉碎腔内的流场结构和流动状态,文中以湍流超细粉碎机的实验设备为基础,利用Pro/Engineer软件建立了计算模型,并借助先进的CFD技术,以标准紊流模型和SIM-PLEC算法,数值模拟了湍流超细粉碎机粉碎腔内的单相三维紊流定常流场,直观显示了粉碎腔内的速度、总压和流线等特性,为粉碎腔内的流场结构提供了直观的模拟结果。