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高温环境下发动机叶片-硬涂层阻尼结构动力学建模与分析

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中国民航大学学报 2024年第1期42卷 30-39页

作者：李双宝李芳中国民航大学科技创新研究院天津300300 中国民航大学中欧航空工程师学院天津300300

硬涂层作为一种阻尼结构可以有效地抑制发动机叶片的有害振动,其动力学研究对于设计和优化复合结构有着重要的意义。本文探讨了高温环境下发动机叶片-硬涂层阻尼结构的动力学模型,对其进行动力学分析,研究固有频率、振动响应幅值等动力... 详细信息

硬涂层作为一种阻尼结构可以有效地抑制发动机叶片的有害振动,其动力学研究对于设计和优化复合结构有着重要的意义。本文探讨了高温环境下发动机叶片-硬涂层阻尼结构的动力学模型,对其进行动力学分析,研究固有频率、振动响应幅值等动力学特性。采用数值模拟分析硬涂层、温度对复合结构动力学特性影响。利用有限元仿真对结果进行了验证,得到硬涂层对于发动机叶片有减振作用,在高温环境下依然有效。

关键词：高温环境发动机叶片硬涂层动力学模型

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硬涂层对镍基高温合金叶片的振动特性影响

科学技术与工程 2022年第30期22卷 13181-13186页

作者：党鹏飞于华涛杨铮鑫沈阳化工大学机械与动力工程学院沈阳110142

为了保障高温合金叶片在极端环境下安全工作,通常在叶片表面涂敷一层硬涂层以改善其抗冲刷和耐高温等性能。现开展硬涂层高温合金叶片的振动特性研究,建立考虑涂层各向异性的叶片有限元模型。通过对叶片进行模态分析计算硬涂层叶片的固... 详细信息

为了保障高温合金叶片在极端环境下安全工作,通常在叶片表面涂敷一层硬涂层以改善其抗冲刷和耐高温等性能。现开展硬涂层高温合金叶片的振动特性研究,建立考虑涂层各向异性的叶片有限元模型。通过对叶片进行模态分析计算硬涂层叶片的固有频率,采用谐响应分析研究其振动位移响应,并绘制坎贝尔图进行共振特性分析,最终获得了硬涂层厚度及涂敷方式对高温合金叶片振动特性的影响规律。结果表明,硬涂层能够显著降低叶片响应峰值,最大达到36.8%;在叶片工作转速附近,共振点由3个减为2个。可见硬涂层对高温合金叶片具有明显的减振效果。

关键词：硬涂层叶片振动特性有限元

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硬涂层整体叶盘频率转向特性研究

机床与液压 2023年第5期51卷 154-158页

作者：杨铮鑫郑伟孙荣城党鹏飞沈阳化工大学机械与动力工程学院辽宁沈阳110142

硬涂层减振是一种极具应用前景的减振技术,被广泛应用于整体叶盘阻尼减振,研究旋转硬涂层整体叶盘频率转向特性具有重要意义。针对NiCoCrAlY+YSZ硬涂层整体叶盘减缩结构建立有限元模型,研究工作状态下硬涂层整体叶盘模态动频曲线两阶模... 详细信息

硬涂层减振是一种极具应用前景的减振技术,被广泛应用于整体叶盘阻尼减振,研究旋转硬涂层整体叶盘频率转向特性具有重要意义。针对NiCoCrAlY+YSZ硬涂层整体叶盘减缩结构建立有限元模型,研究工作状态下硬涂层整体叶盘模态动频曲线两阶模态间频率转向和振型转换特性,和高阶模态间复杂的频率转向特性及硬涂层对整体叶盘频率转向和振型转换特性的影响。仿真结果表明:频率转向区附近转速n=600 rad/s时,无涂层整体叶盘第5阶和第6阶固有频率差值为15.14 Hz,硬涂层整体叶盘第5阶和第6阶固有频率差值为14.04 Hz,频率转向区附近固有频率变化率为7.26%;硬涂层的涂敷不会影响频率转向现象的发生,但改变了两阶模态间频率转向区动频曲线间隙,对频率转向区处模态振型无影响。

关键词：硬涂层整体叶盘子结构模态综合法频率转向振型转换

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硬涂层-碳基增强复合材料叶片振动特性研究

硬涂层-碳基增强复合材料叶片振动特性研究

作者：孙熙民沈阳化工大学

学位级别：硕士

叶片是航空发动机的重要零部件,在航空发动机的安全运行过程中扮演着重要角色。叶片的工作环境极其恶劣,运行过程中经常处于高转速、高压的状态,该状态下受到多种载荷的影响,主要有离心载荷和振动激励载荷,因此,叶片极易发生故障损坏,... 详细信息

叶片是航空发动机的重要零部件,在航空发动机的安全运行过程中扮演着重要角色。叶片的工作环境极其恶劣,运行过程中经常处于高转速、高压的状态,该状态下受到多种载荷的影响,主要有离心载荷和振动激励载荷,因此,叶片极易发生故障损坏,而振动导致的疲劳破坏为主要诱因。硬涂层材料具备减振特性,能够减小结构的振动应力,硬涂层材料的运用可有效解决叶片振动破坏的问题。本文研究硬涂层材料对碳基增强复合材料叶片振动特性的影响及减振效果。本文基于具有各向异性特征的碳基增强复合材料叶片和硬涂层材料(压电、压磁涂层),采取有限元分析方法,探索研究硬涂层涂覆对复合材料叶片振动特性的影响,并进行相应的试验研究。具体研究内容如下:(1)首先根据研究方案,运用Solid Works建立不同方案的复合材料叶片三维模型,将模型导入ANSYS APDL中,根据模型情况选择单元类型,设置材料参数,划分网格以及设置约束。(2)采用预应力模态分析方法得到复合材料叶片的固有频率和振型,采用谐响应的分析方法对复合材料叶片进行振动特性分析,运用Campbell图对不同转速下的叶片进行固有特性分析,检验涂覆压电、压磁涂层对复合材料叶片的振动特性的影响。结果表明,涂覆压电涂层能降低叶片的各阶固有频率,压磁涂层能够提高各阶固有频率,叶盆涂覆压电涂层的减振效果更好,且涂层厚的减振效果优于薄的,压磁涂层不起减振作用。(3)建立碳基增强复合材料缩尺叶片的有限元模型,分别设置无涂层涂覆与涂覆压电涂层两种方案,通过预应力模态分析以及谐响应分析研究压电涂层对不同碳基增强复合材料缩尺叶片振动特性的影响。结果表明,涂覆压电涂层有明显的减振效果,且基体为碳纳米管增强复合材料的减振效果略优于碳纤维增强复合材料基体。(4)设计加工碳纤维增强复合材料缩尺叶片的模具以及振动台叶片夹具,选用预浸料材料制作相应的缩尺叶片实体模型,并根据流程搭建振动台测试系统,将缩尺叶片夹紧固定后对其进行扫频激励以及定频激励测试,得出缩尺叶片的各阶固有频率以及频率响应函数。结果表明:试验测得的各阶固有频率与有限元模拟结果近似对应,缩尺叶片各阶的位移响应随着激励的增大而增大,而激励的增大会使各阶对应的固有频率向左发生偏移,具有软式非线性特征。

关键词：硬涂层碳基增强复合材料大风扇叶片振动特性振动测试

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基于流固耦合的硬涂层整体叶盘振动特性研究

机床与液压 2023年第14期51卷 168-173页

作者：杨铮鑫孙荣城郑伟党鹏飞沈阳化工大学机械与动力工程学院辽宁沈阳110142

整体叶盘在复杂多变载荷的作用下易出现振动损伤和使用寿命缩短等问题。针对此问题,以整体叶盘简化模型为对象,对叶片的压力面涂敷NiCrAlY硬涂层并建立叶盘的流场模型;在Fluent软件中采用流固耦合方法分别对无硬涂层、有硬涂层整体叶盘... 详细信息

整体叶盘在复杂多变载荷的作用下易出现振动损伤和使用寿命缩短等问题。针对此问题,以整体叶盘简化模型为对象,对叶片的压力面涂敷NiCrAlY硬涂层并建立叶盘的流场模型;在Fluent软件中采用流固耦合方法分别对无硬涂层、有硬涂层整体叶盘进行叶盘表面气动载荷的模拟;最后,采用预应力模态分析法对无硬涂层、有硬涂层整体叶盘在气动载荷、离心载荷、气动和离心载荷共同作用下的振动响应、等效应力的分布进行求解,以及绘制叶盘的坎贝尔图。依据以上求解结果,对比研究了硬涂层和3种载荷方式对整体叶盘振动特性的影响程度。结果表明:硬涂层对整体叶盘的振动特性影响较小;相比离心载荷,离心和气动载荷共同作用时对整体叶盘振动特性影响更明显;硬涂层会降低整体叶盘的共振点数。

关键词：整体叶盘硬涂层流固耦合气动载荷振动特性

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复杂载荷下硬涂层对整体叶盘的减振特性

科学技术与工程 2023年第33期23卷 14081-14087页

作者：党鹏飞周哲杨铮鑫龚斌沈阳化工大学机械与动力工程学院沈阳110142

为了研究硬涂层对航空发动机整体叶盘在复杂载荷下的振动影响,通过有限元分析的方法对比研究了其振动特性。首先,建立整体叶盘三维模型,导入ANSYS Workbench软件中,并在叶片的侧面添加NiCoCrAIY+YSZ硬涂层;其次,使用一维插值的方法对航... 详细信息

为了研究硬涂层对航空发动机整体叶盘在复杂载荷下的振动影响,通过有限元分析的方法对比研究了其振动特性。首先,建立整体叶盘三维模型,导入ANSYS Workbench软件中,并在叶片的侧面添加NiCoCrAIY+YSZ硬涂层;其次,使用一维插值的方法对航空发动机整体叶盘进行稳态温度场设置,采用Fluent模块对整体叶盘气动载荷进行添加,运用预应力模态分析法研究在离心载荷、温度载荷和气动载荷作用下,硬涂层对整体叶盘非线性振动特性的影响;最后,绘制坎贝尔图,分析在不同转速下硬涂层整体叶盘的共振情况,采用谐响应分析研究其振动位移响应。结果表明:整体叶盘叶尖处更容易受到振动的影响;涂敷硬涂层可以降低整体叶盘的固有频率、响应峰值,且能减少共振点数量。可见硬涂层对整体叶盘减振具有积极影响。

关键词：整体叶盘硬涂层复杂载荷振动特性

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科氏力对硬涂层整体叶盘振动特性的影响分析

机床与液压 2023年第10期51卷 143-148页

作者：杨铮鑫郑伟孙荣城党鹏飞沈阳化工大学机械与动力工程学院辽宁沈阳110142

以某航空发动机整体叶盘简化模型为研究对象,对叶片表面涂覆NiCrAlY硬涂层,建立硬涂层整体叶盘有限元模型。针对不同工况下仅考虑离心力影响和同时考虑科氏力和离心力影响的2种情况,进行模态分析,研究离心力和科氏力对不同转速下硬涂层... 详细信息

以某航空发动机整体叶盘简化模型为研究对象,对叶片表面涂覆NiCrAlY硬涂层,建立硬涂层整体叶盘有限元模型。针对不同工况下仅考虑离心力影响和同时考虑科氏力和离心力影响的2种情况,进行模态分析,研究离心力和科氏力对不同转速下硬涂层整体叶盘模态特性的影响,并讨论硬涂层对整体叶盘系统固有特性的影响;最后,根据计算得到的固有频率,得到2种不同载荷下的坎贝尔图,求得硬涂层整体叶盘发生共振时的危险转速。结果表明:转速越大,固有频率值升高,科氏力对频率特性影响越大;硬涂层对整体叶盘结构的频率影响较小,硬涂层削弱了科氏力的影响;对于高速旋转的整体叶盘系统,科氏力影响显著,工程计算时不可忽略。

关键词：硬涂层整体叶盘离心力科氏力坎贝尔图

硬涂层参数对基础激励作用下悬臂梁振动特性的影响分析

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机械工程学报 2014年第19期50卷 105-111页

作者：孙伟刘营李晖东北大学机械工程与自动化学院沈阳110819

在硬涂层阻尼减振研究中,迫切地需要创建硬涂层复合结构的分析模型,进而对硬涂层的动力学减振机理给予理论解释。基于Oberst梁理论,创建了基础激励作用下硬涂层复合悬臂梁的解析分析模型,并推导出求解复合梁固有频率、振动响应和振动应... 详细信息

在硬涂层阻尼减振研究中,迫切地需要创建硬涂层复合结构的分析模型,进而对硬涂层的动力学减振机理给予理论解释。基于Oberst梁理论,创建了基础激励作用下硬涂层复合悬臂梁的解析分析模型,并推导出求解复合梁固有频率、振动响应和振动应力的解析表达式。进一步,对硬涂层复合悬臂梁进行实例研究,用试验及有限元法验证上述解析推导的正确性。应用所创建的硬涂层复合梁解析模型,分析了硬涂层参数(包括弹性模量、损耗因子、涂层厚度)对悬臂梁振动特性的影响规律。结果表明,随着硬涂层弹性模量、损耗因子、厚度的增加,复合梁总体的抗弯刚度与损耗因子均相应地增大,共振响应及共振应力减小,说明增加硬涂层的上述参数有助于提高复合结构的减振效果。

关键词：硬涂层悬臂梁基础激励振动特性影响分析

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硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼辨识

吉林大学学报（工学版） 2016年第4期46卷 1156-1162页

作者：孙伟李健贾师东北大学机械工程与自动化学院沈阳110819

针对硬涂层复合结构共振衰减的时域响应,研究了基于Hilbert变换辨识硬涂层复合结构的非线性刚度及阻尼的方法。首先,确定了硬涂层复合结构共振状态下自由衰减的运动方程,进而推导了辨识该复合结构非线性刚度及阻尼参数的原理性公式;其次... 详细信息

针对硬涂层复合结构共振衰减的时域响应,研究了基于Hilbert变换辨识硬涂层复合结构的非线性刚度及阻尼的方法。首先,确定了硬涂层复合结构共振状态下自由衰减的运动方程,进而推导了辨识该复合结构非线性刚度及阻尼参数的原理性公式;其次,用数值算例证明了辨识算法的正确性;然后,提出了将辨识算法应用于硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼参数辨识的流程;最后,进行了实验验证,辨识出单面涂敷NiCrAlY+YSZ硬涂层的悬臂钛板非线性刚度及阻尼参数,并与未涂层试件进行了比对。结果表明,涂覆硬涂层后钛板的刚度非线性增强,阻尼增大,硬涂层具有减振效果。

关键词：机械学硬涂层复合结构非线性刚度及阻尼参数辨识 Hilbert变换