裂纹叶片分布对失谐叶盘结构振动特性的影响*

摘要：基于有限元实体建模方法,建立了含穿透型裂纹的失谐叶盘结构有限元模型,揭示了两个裂纹叶片的分布情况对失谐叶盘结构振动特性的影响规律。研究表明,两个裂纹叶片的分布情况对失谐叶盘结构的基频以及模态局部化程度均有较大影响,并发现当两个裂纹叶片处于相邻位置时,失谐叶盘结构的基频最小,模态局部化程度最高,且该现象在弱耦合条件下尤为突出。而离心力(转速)对含两个裂纹叶片的失谐叶盘结构振动局部化有减弱作用。     

含摩擦与间隙的失谐叶盘系统振动局部化研究

 针对叶片榫头与轮盘榫槽连接处间隙及摩擦,基于叶盘结构典型集中参数模型,建立含干摩擦、间隙的非线性动力学方程,研究失谐叶盘系统振动局部化。在叶身刚度随机失谐下分析叶盘系统对不同耦合刚度的固有特性及共振响应。结果表明,非线性谐调叶盘系统亦出现振动局部化现象。利用振幅放大系数对线性、非线性失谐叶盘系统振动响应局部化研究,振幅放大系数呈失谐阈值现象,且非线性干摩擦、间隙作用会降低失谐系统振动响应局部化程度。而谐调叶盘系统非线性振动,随气流激励力频率变化,系统呈非简谐单周期运动、多周期谐波运动、混沌运动等多种动力学行为。失谐因素存在会使非线性失谐叶盘系统动力学行为更复杂。     

失谐叶盘结构振动响应局部化实验研究

基于作者提出的预测失谐叶盘结构最大失谐幅值放大系数及最坏失谐模式的方法,利用搭建的行波激励实验系统,针对典型的整体叶盘结构模型试件进行了失谐振动响应局部化实验。首先通过有限元仿真确定失谐叶盘振动响应局部化实验所需的最坏失谐模式,然后经过数据采集与后处理得到行波激励下失谐叶盘结构的强迫响应,通过实验验证了失谐跳变-强迫响应局部化现象,实验结果与理论分析取得较好一致性。     

基于蚁群算法的航空发动机失谐叶片减振排布优化分析

在实际航空发动机叶盘结构中叶片失谐是不可避免的,并严重影响叶盘系统的振动特性和整个航空发动机的工作性能及使用寿命。通过分析得到对于一组既定的失谐叶片,其在轮盘上的安装排布顺序能很大程度上影响叶盘系统的振动情况,在此基础上,提出了一种新的振动局部化参数来表征失谐系统振动局部化程度大小,同时提出采用人工蚁群算法对叶片安装排序进行优化。研究表明：选择适当的叶片排布顺序可以有效降低叶盘系统受迫振动幅值、减轻系统振动局部化程度,同时也证明本文所采用的方法可行、有效。研究结果对降低叶盘系统振动幅度、减轻系统振动局部化具有重要意义。     

基于硬涂层的主动失谐整体叶盘建模与分析

通过在整体叶盘各扇区叶片上涂敷不同厚度的硬涂层可以将主动失谐减振与硬涂层阻尼减振技术简单而有效地应用于整体叶盘。为了探究该方法的减振特性,首先给出了利用单个失谐扇区的结构矩阵组集成完整主动失谐叶盘结构矩阵的方法,并利用泰勒展开和最小二乘法建立了叶片上的涂层厚度与涂层引起的叶片失谐矩阵这两者的近似关系。在此基础上,利用公称模态子集法对失谐叶盘结构进行减缩建模。接着,通过与完整有限元的计算结果对比验证了所提出的近似关系与减缩模型的正确性。最后,利用该减缩模型和蒙特卡罗模拟分析了行波激励下基于硬涂层的主动失谐叶盘振动特性。研究表明:叶盘基体随机失谐下,该方法可以明显降低整体叶盘的响应水平。     

考虑失谐的弱耦合周期天线结构的振动主动控制研究

建立了弱耦合周期天线结构的动力学计算模型,基于该模型研究了结构失谐前后的振动特性;并应用最优控制方法,对该结构失谐前后振动的主动控制进行了研究;数值仿真结果表明：弱耦合周期天线结构参数的小量失谐会导致结构振动模态产生明显的局部化,失谐前后的振幅之比约为30%;在进行此种结构的振动主动控制时必须考虑失谐的影响,否则会导致振动控制系统的失效。     

含裂纹离心压缩机叶轮结构的振动局部化

针对离心压缩机在复杂运行工况下的失谐与裂纹问题,研究裂纹与失谐对叶轮结构振动响应和振动局部化的影响规律。首先,采用三维有限元模型建立具有复杂几何形状的叶轮结构的定量分析模型,并通过在裂纹界面上定义接触的形式模拟裂纹的呼吸效应。其次,通过采用混合界面模态综合法对系统自由度进行缩减,以解决了采用三维有限元模型分析非线性系统动态响应时所存在的计算量大和收敛困难的问题。最终,采用Monte Carlo方法对含裂纹的失谐叶轮结构进行统计分析,研究随机失谐和裂纹故障对叶轮结构振动局部化的影响规律。结果表明裂纹和失谐都会对结构的振动响应产生显著的影响,并会导致振动能量的集中和振动局部化现象。     

拉杆结构中弹簧刚度和有限元模型刚度融合修正方法研究

为建立更加准确的航空发动机高压转子的有限元模型,对表征高压转子拉杆结构的盘与盘、拉杆与盘之间接触的力学模型进行研究,重构了接触部位的有限元模型。提出弹簧刚度矩阵和有限元模型刚度矩阵的融合修正方法,建立了包含接触的有限元刚度整体优化模型。运用拉直算子将优化模型中需要修正的参数分离出来,结合实验模态分析得到的模态参数对有限元刚度矩阵进行了修正。实例证明修正后的有限元模型真实反映了拉杆联接的航空发动机高压转子的接触状态。     

推进剂与贮箱液固耦合振动的动力学分析

分析液体燃料运载火箭的推进剂及贮箱的耦合振动时,为了精确建模、工程化快速计算及为火箭整体系统提供液固耦合燃料系统等效模态参数,根据有限元方法得到包含液体节点压力和结构节点位移的非对称形式的耦合动力学方程组,将表征液体运动的节点压力缩聚到液体自由面,使得方程对称化。通过等价Laplace方程边值问题的求解,得到耦合动力学方程中液体对结构的附加质量矩阵、附加刚度矩阵及耦合项。简易贮箱液固耦合模态分析的算例结果表明,该分析方法能够精确、快速地获得液固耦合系统的模态频率等动力学特性。从而使得高效率的液固耦合动力学分析在工程上应用成为可能,并为运载火箭等复杂液固耦合结构的有限元建模由简化模型向三维精确模型建立和工程化应用建立了基础。     

大型风电齿轮箱系统耦合动态特性的研究

综合考虑轮齿啮合时变刚度、齿轮传递误差、齿轮啮合冲击以及风载变化等因素影响,建立具有多级齿轮传动的大型风电齿轮箱的齿轮-传动轴-轴承-箱体系统耦合非线性动力学模型。对风电齿轮箱系统有限元模型进行耦合模态分析,运用模态叠加法对齿轮箱系统在内部激励与外部激励综合作用下的振动响应进行求解。将仿真结果与实验数据对比,进而得到齿轮箱各点振动位移、速度、加速度及结构噪声等系统动态评价指标,为大型风电齿轮箱动态特性的准确评价及齿轮系统动态性能优化设计提供理论依据。     

行星传动系统的固有特性及模态跃迁研究

建立了单级2K-H直齿行星传动的纯扭转集中参数动力学模型。研究了行星传动的固有特性,归纳出两种振动模式:行星轮振动模式和扭转振动模式,并研究了两种振动模式下行星传动的振动特征。通过求解子特征值问题得到了解析形式的固有频率表达式,并推导了固有频率对构件的支承刚度、质量、转动惯量以及齿轮啮合刚度等参数的敏感度解析式。从模态能量角度深入分析了模态跃迁现象对传动特性的影响,并给出了此现象发生的判别准则。仿真算例证明了所得结论的正确性。     

盾构刀盘驱动三级行星齿轮系统固有特性及灵敏度分析

建立了三级行星齿轮传动系统的平移-扭转耦合动力学模型,模型考虑了时变啮合刚度、各级中行星轮位置相角的时变性、啮合综合误差、阻尼等影响因素。基于特征值问题求解了系统结构的固有频率和振型,并将其系统振动模式归为三类：扭转耦合振动模式、平移耦合振动模式、行星轮振动模式。研究了不同振动模式下固有频率对系统参数的灵敏度。研究结果表明,在一些系统参数敏感点处,参数的微小变化不仅导致固有频率灵敏度、模态能量的大幅变化,也将引起能量在各级间发生转移,使得振动特性剧烈变化。     

厚度振动模态优化设计

实际工作中,压电陶瓷圆片振子的尺寸是有限的,振子在厚度振动基频处与径向振动高阶模有较强的耦合作用。通过理论计算和有限元仿真分析耦合作用的影响。为优化厚度振动模态,提出在压电圆片振子的中心打孔的方法,用孔径大小来调节径向高阶振动频率。实验证明压电圆片振子在中心打孔对优化厚度振动模态有效。     

Welding repair by linear friction in titanium alloys

Abstract

Gas turbines for aeroengines are generally manufactured by attaching individual blades into slots in the disk. However, an alternative design consists in producing bladed disks, where disk and blades are a single piece. Previous studies have shown that linear friction welding is a technology which fits well for this application. On the other hand, bladed disks can experience in service damages and therefore affordable repair technology must be available. The present paper presents the microstructural and mechanical evaluation of double and triple welds produced to simulate replacements of damaged blades. The results show that, even though the successive welds induce a small strength decrease, both tensile and fatigue failures always initiated far away of the weld zone.     

Free transverse vibration of rotating blades in a bladed disk assembly

This paper investigates the natural frequency of free transverse vibration of blades in rotating disks to examine the relationship of natural frequencies, blade stiffness and nodal diameters to study how neighboring blades react upon each other and affect blade natural frequency. With the use of elastic hinge theory and a cantilever beam model subjected to either a transverse concentrated force or a bending moment at the free end, the force-deflection stiffness/moment-rotation stiffness of the beam have been developed. Thereafter, the reaction forces and moments from the neighboring blades have been determined without the need for an exact solution of large deformation of cantilever beams including geometrical nonlinearity effects. With the use of the energy conservation principle and modal theory, the natural frequency of free transverse vibration of blades in rotating disks has been determined for any nodal diameter. A comparison of the analytical and finite element solutions for a bladed disk with uniform aerofoils shows that the analytical method presented in this paper is accurate.     

失调叶片盘的振动特性

本文采用了一种非常接近于真实失调叶片盘的物理模型,借子结构模态综合法建立系统的运动方程,分析了调谐及失调叶片盘的固有振动,以及它们在几种力函数及不同激振频率下的强迫振动;研究了失调分布规律对强迫振动时失调叶片盘中最大应力幅值的影响.得到的结论可能对指导实际叶片盘的装配及排振有重要的参考价值.     

Resonant vibration investigations for piezoceramic disks and annuli by using the equivalent constant method

This paper presents the equivalent constant method to investigate the transverse vibration of piezoceramic disks and annuli. By comparing the characteristic equations of resonant frequencies between isotropic and piezoceramic disks, the named equivalent Poisson's ratio v is derived, then the transverse vibration characteristic equation can be expressed as a single formulation for these two materials. To verify this method, characteristic equations of transverse vibration for piezoceramic disks and annuli with many different boundary conditions are discussed and calculated for resonant frequencies. Numerical calculations based on the finite-element method (FEM) also are performed, and the results agree rather well with the theoretical predictions. With the aid of the relations between frequency parameter and equivalent Poisson's ratio in explicit form, the other application of equivalent Poisson's ratio is the inverse evaluation of material constants. The laser Doppler vibrometer (LDV) and impedance analyzer are used to experimentally obtain the resonant frequencies of transverse and radial extensional vibrations, respectively. By the experimental results for the traction-free piezoceramic disk, the planar Poisson's ratio v(p) and planar electromechanical coupling coefficient k(p) are determined.     

相对振型转换法求解具有多点限制连续体振动响应

针对任意多处具有任意分段线性限制的连续体,通过变分原理,基于振型转换思想,在前文提出的相对振型转换法(Relative Mode Transfer Method, RMTM)的基础上得到了一种广泛适用的求解该类问题非线性振动响应的方法。利用推导得到的方法研究了一个两端固支中点带限制弹簧梁系统的非线性振动,利用新方法处理了接触振型及非接触振型之间的转换,从算例结果看,本文采用的方法求解时具有收敛性好,精度高等优点。通过梁上受限点振动幅值的分岔图及时程图,讨论了该算例所代表的一类梁系统的幅频响应特点,研究了振型耦合、限制弹簧刚度对响应的影响。利用力积分法(Force Integration Method, FIM)对算例进行求解与相对振型转换法得到的结果进行了对比,印证了新方法的正确性。