整體葉盤振動特性分析與硬涂層阻尼減振設(shè)計研究.pdf

1、整體葉盤是為了提高航空發(fā)動機性能而采用的一種新型結(jié)構(gòu)部件，它是通過整體化加工或由葉片和盤通過焊接等方式做成一體的，結(jié)構(gòu)形式更為簡單，能夠大幅度提高航空發(fā)動機性能，在當(dāng)前先進航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)中得到高度重視并得以成功應(yīng)用。但是，整體葉盤的振動及疲勞破壞問題極為突出:整體葉盤的輪盤厚度通常較薄，容易出現(xiàn)輪盤與葉片剛度相近而導(dǎo)致葉片與輪盤發(fā)生耦合振動;無榫結(jié)構(gòu)形式雖然減少了連接與接觸摩擦界面，但降低了整體葉盤的振動阻尼能力，使得惡劣工作環(huán)境條件下

2、整體葉盤容易處于大振動和高動應(yīng)力狀態(tài)，甚至發(fā)生共振;整體葉盤的振動疲勞失效問題十分突出，并且整體葉盤損傷修復(fù)難度很高。因此，深入研究考慮結(jié)構(gòu)特征的整體葉盤動力學(xué)建模方法，明確整體葉盤的耦合共振機理，進而提出整體葉盤的振動抑制與抗振動疲勞的硬涂層阻尼技術(shù)，獲得硬涂層阻尼對整體葉盤結(jié)構(gòu)振動抑制與抗疲勞破壞的機理及影響規(guī)律，進行硬涂層整體葉盤的減振優(yōu)化設(shè)計，對于提高整體葉盤的設(shè)計能力、保障結(jié)構(gòu)安全性具有重要的理論和實用價值。
　　本文在

3、國家自然科學(xué)基金項目“整體葉盤動力學(xué)特性及其硬涂層阻尼減振設(shè)計方法”（編號:51505060）以及“薄壁構(gòu)件硬涂層阻尼減振的多尺度模擬方法與主動設(shè)計”（編號:11472068）的支持下，采用解析分析、數(shù)值計算與試驗測試相結(jié)合的方法，開展整體葉盤的動力學(xué)縮減建模方法與耦合振動特性分析、葉片和輪盤涂覆硬涂層的整體葉盤振動特性分析、面向整體葉盤減振的硬涂層參數(shù)與布局多目標動態(tài)優(yōu)化設(shè)計、失諧整體葉盤的硬涂層主動失諧設(shè)計以及整體葉盤葉片振動疲勞裂

4、紋的擴展和硬涂層影響等方面的研究，完成的主要工作和取得的主要結(jié)果如下所述。
　　考慮整體葉盤的結(jié)構(gòu)特征與硬涂層阻尼的材料特性，基于改進的層合結(jié)構(gòu)振動理論，采用復(fù)模量本構(gòu)模型，利用Rayleigh-Ritz法結(jié)合Gram-Schmidt變換構(gòu)建的特征正交多項式作為整體葉盤的振型函數(shù)，建立了涂覆硬涂層的整體葉盤動力學(xué)模型，對涂覆硬涂層的整體葉盤的固有頻率、模態(tài)損耗因子以及頻率響應(yīng)等進行了理論與仿真研究，并進行了試驗測試驗證，獲得了硬涂

5、層材料參數(shù)和厚度對整體葉盤振動抑制的規(guī)律，以及整體葉盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)對硬涂層整體葉盤整體結(jié)構(gòu)的綜合阻尼特性的影響規(guī)律。
　　基于Kriging模型和有限元模型，分別采用改進非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)以及漸進優(yōu)化算法，建立了針對整體葉盤阻尼減振的、以模態(tài)損耗因子最大和對原整體葉盤的固有頻率影響以及增重最小為優(yōu)化目標，進行硬涂層參數(shù)與硬涂層布局的多目標動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法。分別對兩目標優(yōu)化以及三目標優(yōu)化進行了求解，得到了Pareto前

6、沿曲線和曲面形式的最優(yōu)解集;以某一階和多階模態(tài)損耗因子的加權(quán)和最大為目標，硬涂層材料的涂覆面積為約束條件，得到了硬涂層在整體葉盤上的最佳布局。在等效氣動載荷條件下計算得到各最優(yōu)解下整體葉盤的振動響應(yīng)并進行了對比評價;利用模型試驗對布局優(yōu)化的結(jié)果進行了檢驗驗證。
　　以降低失諧整體葉盤的振動局部化程度、提高對出現(xiàn)隨機失諧導(dǎo)致整體葉盤振動局部化和振幅放大等不利影響的魯棒性為目的，在確定硬涂層阻尼對失諧整體葉盤模態(tài)局部化和強迫振動響應(yīng)具

7、有改善效果的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了采用硬涂層對整體葉盤進行主動失諧設(shè)計的方法，通過改變硬涂層涂覆厚度進行主動失諧設(shè)計，獲得了在硬涂層主動失諧形式下的整體葉盤模態(tài)與振動響應(yīng)特性，以及考慮隨機失諧情況下的主動失諧設(shè)計對整體葉盤振動響應(yīng)特性的影響。仿真分析與試驗研究表明，硬涂層主動失諧設(shè)計可以實現(xiàn)整體葉盤具有較低的振動響應(yīng)幅值并對隨機失諧具有較強的魯棒性。
　　基于葉片振動疲勞裂紋的典型形式，建立了葉片帶裂紋時的整體葉盤動力學(xué)縮減有限元

8、模型，獲得了帶裂紋葉片的整體葉盤模態(tài)局部化和振動響應(yīng)特征。進而采用Paris裂紋擴展模型，結(jié)合橢圓形裂紋板應(yīng)力強度因子的相關(guān)理論，對等效氣動載荷作用下帶裂紋葉片整體葉盤的裂紋擴展特性進行了研究，獲得了帶裂紋葉片的裂紋擴展曲線。通過對比研究，確定了葉片涂覆阻尼硬涂層后的裂紋擴展特性，表明硬涂層阻尼對葉片裂紋擴展具有明顯的抑制效果。通過試驗件的振動疲勞及裂紋擴展測試試驗確認了振動疲勞裂紋的萌生和擴展規(guī)律，與仿真分析獲得的帶裂紋葉片的掃頻“雙

9、峰”響應(yīng)特性以及硬涂層對振動疲勞裂紋萌生和擴展抑制效果進行了對比，具有一致性。
　　本文研究成果對掌握考慮結(jié)構(gòu)特征的整體葉盤動力學(xué)建模、整體葉盤的耦合共振機理具有重要作用;所提出的整體葉盤振動抑制和抗疲勞的硬涂層阻尼技術(shù)具有創(chuàng)新性;考慮硬涂層阻尼的整體葉盤結(jié)構(gòu)振動抑制與抗疲勞破壞機理及影響規(guī)律、基于硬涂層阻尼的整體葉盤減振多目標動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法與結(jié)果、采用硬涂層進行主動失諧設(shè)計的方法和結(jié)果具有合理性，并通過了模型試驗驗證。本文研究