大机动飞行条件下转子系统动力特性及振动抑制研究

作     者：张鹏 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗贵火

授予年度：2018年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：梁单元 机动转弯 螺旋前进 大机动过载 双盘悬臂转子 

摘      要：本文以无人机机动转弯和螺旋前进机动动作为研究背景,以二支点双盘悬臂试验器转子为研究对象,开展大机动条件下转子系统建模方法、含鼠笼支承转子系统动力特性、含轴承支承转子系统响应特性、挤压油膜阻尼器适用性等方面的研究,以期为大机动条件下转子动力特性研究提供方法和设计参考,并为转子大机动过载试验器的设计提供理论依据。本文主要研究内容和成果如下:(1)依据Lagrange能量法,推导了机动飞行条件下转子有限元梁单元建模方法。依据固定界面模态综合法,对模型自由度数目进行了缩减,为机动条件下转子有限元建模及响应求解效率的提高奠定了理论基础。(2)以含鼠笼支承的线性转子系统为研究对象,研究了机动转弯和螺旋前进机动动作对转子响应的影响,分析了转子响应随各机动参数的变化规律。结果表明:机动转弯载荷会使转子响应轨迹产生一定的静偏心,螺旋前进载荷不仅会使转子响应出现静偏心,还会产生类似“拟周期特征。对于机动转弯动作,机动转弯过载是影响转子响应的主要机动参数;对于螺旋前进动作,螺旋机动过载和螺旋角度是影响转子响应的主要机动参数。(3)分析了机动转弯和螺旋前进条件下,含轴承支承的非线性转子系统响应特性。结果表明:考虑轴承非线性特性,机动载荷会使轴承刚度增大,产生附加刚度效应,并使轴承刚度呈正交不对称,进而使转子轴心轨迹出现正交不对称;此外,转子响应会出现拟周期现象,响应中包含与轴承相关的频率成分,随着机动过载的增大,有些频率成分会减小甚至消失;在螺旋前进动作中,随着螺旋角度的增加,转子响应轴心轨迹包络线会更加趋近椭圆。(4)大机动飞行过程包括机动和平飞两种环境,综合考虑这两种使用环境,分析了阻尼器各参数对偏心率的影响,并以本文双盘悬臂转子为研究对象,对大机动条件下挤压油膜阻尼器的适用性开展了研究。研究发现:机动过载使阻尼器产生静偏心,过大的静偏心会使阻尼器长期在偏心率0.4以上工作;适当增加弹支刚度、油膜宽度和油膜间隙,可以降低大机动过载条件下阻尼器的偏心率,但过大的弹支刚度和油膜间隙又会使阻尼器偏心率在平飞条件下出现跳跃现象,通过减小转子不平衡量的方式,能够有效抑制阻尼器偏心率跳跃现象的发生。根据上述规律,综合分析机动和平飞条件下阻尼器的动力特性,发现对于本文转子系统,挤压油膜阻尼器在大机动条件下很难适用。(5)提出了转子大机动过载试验器的结构设计方案,对试验器各主要部件的参数进行了分析、选取与校核,设计方案在结构方面为后续试验器的建立提供了理论基础。综上所述,本文推导了机动条件下转子系统有限元建模方法,研究了大机动条件下线性转子系统以及含轴承非线性转子系统的响应规律,探究了大机动条件下挤压油膜阻尼器的适用性,提出了大机动过载试验器的结构设计初步方案。研究结果对大机动条件下转子系统的设计、复杂转子系统动力特性的研究以及模拟大机动过载试验的探究具有重要的理论指导意义。