復(fù)雜耦合失諧葉片—輪盤系統(tǒng)振動局部化問題研究.pdf

1、葉片－輪盤系統(tǒng)是高性能航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件。葉盤系統(tǒng)在運行過程中，由于受到非定常壓力場及不平衡的激勵，會使葉片產(chǎn)生受迫振動。葉片的受迫振動響應(yīng)對葉片特性的非諧調(diào)微小變化非常敏感，葉片特性的這種微小變化常被稱為失諧。失諧主要來自于葉片的加工誤差、運行磨損等。葉片失諧能夠?qū)е氯~盤振動能量局部化，并顯著增加葉片在共振區(qū)的振動應(yīng)力，甚至使葉盤產(chǎn)生高周循環(huán)疲勞失效，造成災(zāi)難性后果。 本論文建立了失諧葉盤系統(tǒng)的質(zhì)量－彈簧模型和有限元模型，對

2、復(fù)雜耦合失諧葉片－輪盤系統(tǒng)的振動局部化問題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。重點研究了失諧對葉盤系統(tǒng)固有特性與受迫振動響應(yīng)特性影響的基本機(jī)理及分析方法，并總結(jié)了失諧對葉盤系統(tǒng)動力特性影響的一般規(guī)律。 諧調(diào)葉盤系統(tǒng)為循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)，而失諧的存在破壞了這種循環(huán)對稱性，并造成葉盤系統(tǒng)模態(tài)的局部化現(xiàn)象。本文利用葉片的最大振動能量與其它葉片平均振動能量之間的相互關(guān)系，定義了一個系統(tǒng)模態(tài)局部化參數(shù)，該參數(shù)能夠較為準(zhǔn)確地反映葉盤系統(tǒng)模態(tài)振型的能量集中程度。

3、利用所提出的模態(tài)局部化參數(shù)，研究了失諧對葉盤系統(tǒng)各階模態(tài)局部化程度的影響規(guī)律，并利用攝動法對失諧所導(dǎo)致的模態(tài)局部化現(xiàn)象進(jìn)行了分析；同時還發(fā)現(xiàn)，失諧葉盤系統(tǒng)的某些中間階模態(tài)的局部化參數(shù)值在弱耦合區(qū)域的特定位置會產(chǎn)生奇異的突變現(xiàn)象，而這種突變現(xiàn)象是用攝動法難以解釋的，并且可能會對失諧葉盤系統(tǒng)的振動穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。這種系統(tǒng)模態(tài)局部化程度的突變現(xiàn)象是在以往研究文獻(xiàn)中還未發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。 針對葉盤系統(tǒng)的確定失諧和隨機(jī)失諧兩類問題，分別采

4、用了確定性和統(tǒng)計分析方法，在各種系統(tǒng)參數(shù)條件下，較為深入地研究了失諧對于葉盤系統(tǒng)受迫振動響應(yīng)的影響規(guī)律。在進(jìn)行統(tǒng)計分析時，特別地提出了對失諧葉盤系統(tǒng)的最大振動響應(yīng)和平均振動響應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計和比較的分析方法，利用該方法可對失諧葉盤系統(tǒng)振動能量的集中程度進(jìn)行分析，從而更全面地認(rèn)識失諧葉盤系統(tǒng)振動響應(yīng)的局部化特性。 攝動法是分析失諧葉盤振動響應(yīng)的重要方法，而不同的攝動法對于葉盤結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)有著不同程度的依賴性。本文對三種常用攝動法的構(gòu)造

5、特點及其適用性進(jìn)行了研究，總結(jié)了它們在分析失諧葉盤系統(tǒng)振動響應(yīng)時對于系統(tǒng)參數(shù)的適用條件；針對自適應(yīng)攝動法在分析失諧葉盤系統(tǒng)振動響應(yīng)時，對于基系統(tǒng)模態(tài)的選擇難以控制的問題，提出了一種模態(tài)自動選擇法(ASMM)。該方法有效地克服了原自適應(yīng)攝動法的不足，并能夠在保證求解精度的基礎(chǔ)上提高求解效率，尤其適用于做失諧葉盤系統(tǒng)振動特性的統(tǒng)計分析。 針對現(xiàn)有方法難以準(zhǔn)確預(yù)測中度耦合失諧葉盤系統(tǒng)振動響應(yīng)的難題，提出了一種可預(yù)測全耦合失諧葉盤系統(tǒng)受

6、迫振動響應(yīng)的復(fù)合模型分析法(MCAM)。該方法利用部分失諧和全局失諧相結(jié)合的復(fù)合模型來預(yù)測失諧葉盤系統(tǒng)的振動響應(yīng)，克服了單一模型系統(tǒng)不能對失諧葉盤系統(tǒng)振動響應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測的缺點。同時，提出了一種合理的誤差修正方法來進(jìn)一步提高求解精度。由于該誤差修正方法只需在共振區(qū)中應(yīng)用，從而能夠有效地提高統(tǒng)計分析的求解效率。針對葉盤系統(tǒng)中兩類主要的非線性干摩擦阻尼形式，分別建立了具有葉片干摩擦阻尼和葉間干摩擦阻尼的失諧葉盤系統(tǒng)的非線性力學(xué)模型；提出了一

7、種可利用快速傅立葉變換技術(shù)的多諧波分析方法(MHM)；分別推導(dǎo)了具有這兩類干摩擦阻尼形式的葉盤系統(tǒng)運動方程的求解公式；在各種系統(tǒng)參數(shù)條件下，研究了干摩擦阻尼失諧葉盤系統(tǒng)的受迫振動響應(yīng)特性；對具有干摩擦散亂失諧的葉盤系統(tǒng)振動響應(yīng)進(jìn)行了研究，分析總結(jié)了干摩擦散亂失諧對葉盤系統(tǒng)振動響應(yīng)特性的特殊影響規(guī)律。 建立了葉盤系統(tǒng)的有限元模型，探索性地研究了葉盤系統(tǒng)的頻率轉(zhuǎn)向與失諧敏感性的相互作用機(jī)理問題。分析了葉盤系統(tǒng)頻率轉(zhuǎn)向現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及

8、其特點：利用本文提出的模態(tài)局部化參數(shù)，研究了頻率轉(zhuǎn)向區(qū)域內(nèi)葉盤系統(tǒng)的高密集模態(tài)對失諧的敏感性；分析了頻率轉(zhuǎn)向區(qū)域內(nèi)失諧葉盤系統(tǒng)的振動響應(yīng)局部化特性。研究表明：在頻率轉(zhuǎn)向區(qū)中，葉盤系統(tǒng)模態(tài)高度密集，從而更容易導(dǎo)致葉盤系統(tǒng)產(chǎn)生較強(qiáng)的模態(tài)振型和振動響應(yīng)的局部化。 本文的研究結(jié)論，不僅在很大程度上完善和發(fā)展了研究失諧葉盤系統(tǒng)振動局部化問題的基礎(chǔ)理論，也為設(shè)計人員正確理解失諧葉盤系統(tǒng)的振動機(jī)理及準(zhǔn)確預(yù)測其振動響應(yīng)提供了有效的方法和手段；并