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失谐叶片轮盘的减缩建模方法及动力特性研究

失谐叶片轮盘的减缩建模方法及动力特性研究

作者：段勇亮南京航空航天大学

学位级别：硕士

由于失谐的存在,导致叶盘圆周对称特性丧失,必须采用叶盘的整体有限元模型进行分析。而该模型通常规模巨大,加上失谐为随机不确定性问题,分析时常用到Monte-Carlo模拟,使得其对计算资源的消耗达到了令人无法容忍的地步。为提高高保真叶... 详细信息

由于失谐的存在,导致叶盘圆周对称特性丧失,必须采用叶盘的整体有限元模型进行分析。而该模型通常规模巨大,加上失谐为随机不确定性问题,分析时常用到Monte-Carlo模拟,使得其对计算资源的消耗达到了令人无法容忍的地步。为提高高保真叶盘模型的计算效率,本文提出了一种新的失谐叶盘减缩建模及动力响应预测方法。该方法对叶盘单扇区有限元模型进行圆周对称分析,获取谐调叶盘在局部坐标系下的基本模态特性。同时,运用“主节点”的概念,仅对少量节点进行模态分析,在大大降低矩阵维度的同时获取准确的失谐模态特性。在动力响应预测分析时,利用失谐固有频率点处响应的基本特性,仅选取危险频段内、危险叶片上的危险节点进行响应分析计算,既极大地提高了运算效率,又能够准确地获取叶盘最大受迫响应幅值。本文实例分析结果表明:相较于传统的有限元方法,该方法中模态分析的求逆过程矩阵维度从150万下降到384,计算所得的前50阶固有频率的精度保持在0.005%以内,最大响应计算过程运算量下降超过99%时,仅存在-0.35%的误差。本文还以某压气机高保真叶盘模型为例,采用失谐叶盘减缩建模方法,对不同阶次激励下的随机失谐叶盘响应特性进行了统计分析。研究表明,叶盘最大响应随着随机失谐值的增加先急剧增加,然后下降并趋于稳定,表现出“阀值”效应。将失谐作为设计参数,本文研究讨论了常见的主动失谐叶盘的响应特性,发现一些主动失谐叶盘不但相较于同等失谐程度的随机失谐叶盘具有更小的响应幅值,而且对随机失谐具有较好的鲁棒性。为提高研究的实用性和现实指导意义,考虑到转子叶片所受的气流激振力的高频特性,本文还着重探究了叶片高阶模态振动的响应特性,研究结果显示,高阶模态对失谐更为敏感,通常会产生非常大的幅值放大因子,对叶片的安全性带了巨大的考验。此外,为解决传统减缩建模方法无法快速求出失谐叶盘应力应变的问题,本文提出了一套新的失谐应力应变计算方法,该方法仅需对单扇区叶盘模型进行分析,就可获取失谐叶盘的应力应变特性。最后,本文还推导提出了叶盘最大响应对各个叶片频率失谐值的一、二阶灵敏度的计算公式,并简单探讨了其在统计不确定性分析中的应用。

关键词：失谐叶盘减缩建模响应预测主动失谐减振设计鲁棒性高阶模态应力应变灵敏度

整体叶盘减缩建模方法及其在硬涂层叶盘上的应用

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整体叶盘减缩建模方法及其在硬涂层叶盘上的应用

作者：高俊男东北大学

学位级别：硕士

整体叶盘作为现代高性能涡轮机的重要部件,它具有重量轻、结构简单可靠性高等优点。因为整体叶盘没有叶片轮盘之间的连接结构,它的结构阻尼相比传统叶盘更低,同时一些成熟的阻尼结构也难以在其上面应用。另外由于失谐的影响,使得结构的... 详细信息

整体叶盘作为现代高性能涡轮机的重要部件,它具有重量轻、结构简单可靠性高等优点。因为整体叶盘没有叶片轮盘之间的连接结构,它的结构阻尼相比传统叶盘更低,同时一些成熟的阻尼结构也难以在其上面应用。另外由于失谐的影响,使得结构的振动水平大幅增加。因此,要采取合理的减振措施来防止整体叶盘因发生过大的振动而引起破坏和失效。硬涂层阻尼减振作为新兴的阻尼减振手段,具有杰出的减振性能以及良好的耐高温耐腐蚀的能力,因此它可以应用于整体叶盘上。为了更好地将硬涂层应用在整体叶盘上,需要研究和开发失谐整体叶盘的有限元减缩建模方法以对硬涂层叶盘的振动性能进行有效预估。本文的研究包括以下内容:(1)系统地给出了循环对称算法的两种计算原理,并给出了利用单扇区模型得到整个谐调叶盘的频率与振型的推导过程。此外,建立了硬涂层-叶盘复合结构的有限元模型,并用实验验证了建模的正确性。最后分析了涂层前后谐调叶盘的振动特性,验证了硬涂层在谐调叶盘上的减振效果。(2)根据公称模态子集法(Subset of Nominal System Modes,SNM)分别建立了涂层前后的失谐整体叶盘减缩模型。其次,考虑到实际的随机失谐量的分布范围,采用双截尾正态分布模拟随机失谐。接着以该减缩模型为计算工具,通过蒙特卡罗模拟得到了涂层前后的失谐叶盘的振幅放大因子的统计规律。最后总结了 NiCrAlCoY+YSZ涂层在失谐叶盘上的减振特性。(3)通过在不同叶片上涂敷不同厚度的硬涂层来构建主动失谐并实现阻尼减振。首先研究了基于NiCrAlCoY+YSZ涂层构造的经典涂层模式的减振特性,并解释了阻尼失谐的机理和效应,以此改进了主动失谐的涂层模式。最后研究了改进的主动失谐涂层模式的减振特性。结果表明改进的主动失谐的涂层模式能极大地降低失谐叶盘的振动水平以及对失谐的敏感性。(4)基于一种特殊的混合界面子结构,提出了一个新的适用于同时含大失谐和小失谐的叶盘的减缩方法。首先,以其中一个扇区含几何失谐的叶盘作为研究对象并且认为随机失谐水平较小,将叶盘分为受损部分以及剩余部分两个单独子结构。将剩余部分的位移用对应该部分的圆周模态线性组合表示(一种特殊的自由界面法),将受损部部分移用Craig-Bampton固定界面法表示,通过模态综合的过程得到一个基矩阵。然后将失谐叶盘的低阶振型通过基矩阵的列线性组合表示,从而实现了利用这个基矩阵对系统进行减缩。当随机失谐水平变为中等以上时,提出利用子空间迭代法来更新基矩阵。接着以一个含有大失谐以及随机失谐的整体叶盘为例,将减缩模型计算的固有频率、振型以及受迫响应与ANSYS软件计算的结果对比,验证了该减缩模型正确性。最后,总结和讨论了这种适用于大失谐的减缩方法在硬涂层叶盘上的应用设想。硬涂层用于整体叶盘减振有着广阔的应用前景,本文所讨论的循环对称、失谐减缩建模、主动失谐建模、大失谐建模方法可为硬涂层叶盘动力学建模及振动预估提供有力的技术支持。

关键词：整体叶盘减缩建模硬涂层振动分析主动失谐大失谐

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航空发动机机匣结构减缩建模的方法

机械制造与自动化 2023年第1期52卷 119-122页

作者：蒋锂军臧朝平张磊张根辈南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210016

为解决航空发动机机匣有限元模型存在单元数目多、原始矩阵维度巨大的问题,研究了一种减缩建模方法,基于主节点思路是在模态域下快速准确地预测整机机匣系统的响应。以某整机机匣系统为研究对象,建立该结构的原始有限元模型,按所提出的... 详细信息

为解决航空发动机机匣有限元模型存在单元数目多、原始矩阵维度巨大的问题,研究了一种减缩建模方法,基于主节点思路是在模态域下快速准确地预测整机机匣系统的响应。以某整机机匣系统为研究对象,建立该结构的原始有限元模型,按所提出的减缩建模方法获得减缩模型,并对减缩前后机匣系统稳态响应的一致性以及计算效率进行对比分析,验证了减缩模型的可行性。

关键词：航空发动机机匣模型减缩建模主节点

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复杂时变激励下失谐叶盘瞬态强迫响应分析

航空学报 2021年第9期42卷 310-321页

作者：敬彤臧朝平张涛 Yevgen Pavlovich PETROV 南京航空航天大学能源与动力学院南京210016 中国航空发动机集团有限公司中国燃气涡轮研究院成都610500 英国萨塞克斯大学伦敦BN19RH

提出一种高效的失谐叶盘瞬态强迫响应分析方法,不同于传统的数值积分方法,该方法推导出瞬态强迫响应的解析表达式,能更为高效地预测失谐叶盘的瞬态强迫响应。首先,对叶盘的高保真有限元模型进行减缩建模,在精确地描述叶盘结构的动力学... 详细信息

提出一种高效的失谐叶盘瞬态强迫响应分析方法,不同于传统的数值积分方法,该方法推导出瞬态强迫响应的解析表达式,能更为高效地预测失谐叶盘的瞬态强迫响应。首先,对叶盘的高保真有限元模型进行减缩建模,在精确地描述叶盘结构的动力学特性的前提下,极大的减少了模型的自由度数目。其次,模拟加速旋转的涡轮叶盘经过复杂流场时叶片表面上的气动载荷,并建立叶盘固有频率和振型随转速变化的数学函数;通过共振分析确定叶盘共振的转速区间并分析引起共振的激励阶次成分。最后,计算了不同旋转加速度和阻尼下叶盘的瞬态强迫响应,并对叶盘的失谐幅值放大因子进行研究。应用本办法对某86个叶片的涡轮叶盘进行了数值分析,结果表明,相同阻尼水平下,叶盘的瞬态强迫响应幅值随旋转加速度增加而降低,失谐幅值放大因子在瞬态条件下大于稳态条件下,最高可达30%。

关键词：失谐叶盘减缩建模瞬态强迫响应复杂激励变转速

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基于减缩模型的硬涂层-失谐整体叶盘动力学分析

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东北大学学报（自然科学版） 2018年第11期39卷 1624-1629页

作者：高峰孙伟范云飞东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819 东北大学航空动力装备振动及控制教育部重点实验室辽宁沈阳110819

提出一种对叶片涂敷硬涂层的阻尼减振方法,并以涂敷NiCoCrAlY+YSZ硬涂层的失谐整体叶盘为实例进行有效性研究.首先,利用改进的固定界面子结构模态综合法对涂敷硬涂层的失谐整体叶盘的有限元模型进行减缩,并求解其振动特性.其次,研究了... 详细信息

提出一种对叶片涂敷硬涂层的阻尼减振方法,并以涂敷NiCoCrAlY+YSZ硬涂层的失谐整体叶盘为实例进行有效性研究.首先,利用改进的固定界面子结构模态综合法对涂敷硬涂层的失谐整体叶盘的有限元模型进行减缩,并求解其振动特性.其次,研究了硬涂层对失谐整体叶盘振动特性的影响.最后,重点分析了硬涂层厚度对失谐整体叶盘阻尼性能的影响.结果表明,硬涂层对固有频率的影响微弱,但有较强的阻尼效应,能够显著抑制失谐整体叶盘的共振响应.

关键词：失谐整体叶盘硬涂层减缩建模涂层厚度阻尼能力

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石墨烯增强功能梯度转子系统动力学特性研究

石墨烯增强功能梯度转子系统动力学特性研究

作者：刘子锋东北大学

学位级别：硕士

转子系统是旋转机械的核心部件,在工业体系中占据极为重要的地位,随着工业的不断发展,对旋转机械的性能和可靠性要求越来越高。特别是航空发动机,作为飞机的心脏,对飞机的性能、可靠性与经济性都有直接的影响。在传统的金属材料之外,由... 详细信息

转子系统是旋转机械的核心部件,在工业体系中占据极为重要的地位,随着工业的不断发展,对旋转机械的性能和可靠性要求越来越高。特别是航空发动机,作为飞机的心脏,对飞机的性能、可靠性与经济性都有直接的影响。在传统的金属材料之外,由于石墨烯等材料具有极高的拉伸强度、刚度等优势,人们开始将其应用于航空发动机的转子系统中,因此研究石墨烯参数对转子系统动力学特性的影响具有重要的意义。本文以简化的转子系统以及压气机叶盘系统为对象展开自由振动分析与动力学特性分析等方面的研究。主要研究内容包括:(1)首先利用有限元软件ANSYS建立了盘-轴转子系统有限元模型,研究了石墨烯增强功能梯度盘-轴转子系统的自由振动特性。通过分层的方式模拟GPLs在基体中的三种分布模式,利用修正的Halpin-Tsai模型和混合规则确定了分层的材料参数。讨论了GPLs含量、GPLs分布模式、GPLs的长宽比和长厚比以及转子的几何参数对于盘轴耦合系统的自由振动特性的影响,为功能梯度材料盘轴耦合系统的设计提供了依据。(2)在石墨烯增强的功能梯度材料盘轴耦合的基础上,研究了石墨烯增强的功能梯度多孔叶片-盘-轴组件的建模和自由振动分析,转子由石墨烯增强的功能梯度多孔金属基体制成。考虑了旋转组件中GPLs和孔隙的均匀分布和非均匀分布。然后基于导数信息的Chebyshev区间有限元方法,讨论了叶片-盘-轴转子系统的不同参数在不同波动系数下的稳态响应的变化规律。(3)针对航空发动机压气机失谐叶盘系统有限元模型单元和节点数量较大的问题,综合应用密集模态识别方法与子结构固定界面模态综合法,对叶盘系统进行减缩建模。将基于密集模态识别的子结构固定界面模态综合法与传统的整体法获得的频率结果进行比较,结果表明,本文采用的方法在节省时间的同时也保证了计算精度。(4)以航空发动机压气机一级失谐叶盘为研究对象,在ANSYS中建立了功能梯度材料多孔叶盘系统的简化模型。在轴心处施加不平衡量,采用判断载荷的方法对叶盘系统进行碰摩仿真,分析了叶盘的碰摩过程的特征,此外,讨论了叶片失谐量、叶片与机匣之间的初始间隙、叶盘系统的转速以及叶片中GPLs的含量的变化对于叶盘系统碰摩非线性特性的影响。

关键词：转子系统有限元功能梯度材料减缩建模碰摩

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转子支承机匣系统模型减缩与动力学分析研究

转子支承机匣系统模型减缩与动力学分析研究

作者：蒋锂军南京航空航天大学

学位级别：硕士

航空发动机整机振动问题一直是航空发动机设计过程中的关键问题之一。影响整机振动的原因有很多,如转子不平衡、转子不对中以及转子支承松动等等。三维整机有限元模型能够有效的模拟各部件之间的相互耦合作用,是进行整机动力学特性分析... 详细信息

航空发动机整机振动问题一直是航空发动机设计过程中的关键问题之一。影响整机振动的原因有很多,如转子不平衡、转子不对中以及转子支承松动等等。三维整机有限元模型能够有效的模拟各部件之间的相互耦合作用,是进行整机动力学特性分析的有效方法。然而由于三维整机有限元模型自由度数目巨大,因此使用三维有限元模型对整机系统进行动力学分析,将极大地降低了计算效率。对此,目前大多数是对单个部件简化后再构建的三维整机有限元模型,从而提高了计算效率,但有可能导致计算结果会出现偏差。为了克服上述困难,利用三维整机超模型进行整机动力学特性分析,本文开展了如下几个工作:首先,研究了静子结构以及旋转结构的模型减缩方法,在静子结构模型减缩的基础上进一步研究了旋转结构的模型减缩方法,利用复模态分析理论对旋转结构进行模态分析;利用双特征向量运动微分方程进行解耦;最终利用模态减缩理论获得旋转结构的模态模型,该方法同时适用于旋转结构与静子结构。其次,研究了整机的减缩模型建模方法,从单个部件的超模型及减缩模型建立,然后建立整机减缩模型,最后建立整机的模态模型。还分别以转子系统以及机匣系统为例验证了减缩方法的有效性,并且还分析了支承非对称以及不平衡量分布对转子支承系统动力学特性的影响。最后,通过建立转子支承机匣系统减缩模型,结合转子支承机匣系统整机减缩模型模态分析及临界转速分析结果和模态模型稳态响应分析结果,对整机的动力学特性进行了分析。在此基础上进一步研究了转子不平衡量分布对整机稳态响应的影响。本文研究的减缩建模方法同样适用于其他转子支承机匣整机系统的动力学特性分析,可以为航空发动机设计提供指导。

关键词：航空发动机整机振动三维有限元模型旋转结构减缩建模动力学特性