本文關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣模型的若干動力學(xué)特性研究

  更多相關(guān)文章： 機(jī)匣模型 薄殼動力學(xué) 雙模態(tài)位移解 層壓復(fù)合材料 環(huán)向表面裂紋 位移協(xié)調(diào)法

【摘要】：機(jī)匣是連接航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和定子系統(tǒng)的橋梁和紐帶,發(fā)動機(jī)的推力通過機(jī)匣傳遞到飛機(jī)上,因此,機(jī)匣既是發(fā)動機(jī)的重要承力部件,又是整個發(fā)動機(jī)的基座,在整個航空發(fā)動機(jī)的研究設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的地位�，F(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)在低質(zhì)量、高推重比的要求下,機(jī)匣系統(tǒng)逐漸發(fā)展為薄壁圓柱殼結(jié)構(gòu),而機(jī)匣的薄壁結(jié)構(gòu)在發(fā)動機(jī)復(fù)雜載荷作用下,振動問題異常突出。值得關(guān)注的是,目前對機(jī)匣振動特性的研究多集中在完整機(jī)匣及單一材料機(jī)匣等方面,對故障(裂紋)機(jī)匣和復(fù)合材料機(jī)匣的研究較少,而從理論方面對裂紋機(jī)匣和復(fù)合材料機(jī)匣的動力學(xué)行為進(jìn)行的研究就更少了。因此,廣泛深入的開展裂紋機(jī)匣和復(fù)合材料機(jī)匣的動力學(xué)特性研究(尤其是理論研究),具有重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。本文通過解析分析與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的手段,對機(jī)匣系統(tǒng)進(jìn)行了理論建模和動力學(xué)分析,研究了機(jī)匣振動問題的高發(fā)處-風(fēng)扇機(jī)匣在復(fù)雜氣流激勵載荷作用下振動的分岔特性;以層壓復(fù)合材料機(jī)匣和正交各向異性材料機(jī)匣為例,分別研究了典型復(fù)合材料機(jī)匣的運(yùn)動穩(wěn)定性和彈性屈曲問題;以含環(huán)向表面裂紋的機(jī)匣為例,對典型故障機(jī)匣-裂紋機(jī)匣的振型特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析。具體研究內(nèi)容及取得的主要成果如下:根據(jù)航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣的實(shí)際安裝方式及薄壁結(jié)構(gòu)的幾何特征,建立了機(jī)匣振動問題的高發(fā)部位風(fēng)扇機(jī)匣的薄壁圓柱殼模型,并應(yīng)用奇異性分析的方法,從非線性動力學(xué)角度對其振動特性和分岔特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:系統(tǒng)固有頻率受結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)徑長比(R/L)和厚徑比(h/R)的影響顯著;奇異性分析表明在特定的開折參數(shù)下,系統(tǒng)振動出現(xiàn)了分岔、滯后等不同的現(xiàn)象;最后根據(jù)激勵頻率和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的倍數(shù)關(guān)系,給出了共振頻率的滯后區(qū)間對應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速范圍,并研究了系統(tǒng)振動頻率發(fā)生在滯后區(qū)間時對機(jī)匣可裂可能性的影響。以雙模態(tài)位移解為例,探討了單模態(tài)位移解和多模態(tài)位移解的適用范圍,分析了單、雙模態(tài)位移之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律,并應(yīng)用雙模態(tài)位移解分析了機(jī)匣在徑向簡諧激勵作用下的穩(wěn)定性。研究表明:在激勵載荷較小的情況下,相對于多模態(tài)位移,應(yīng)用單模態(tài)位移求解系統(tǒng)的動力學(xué)問題既能滿足精度要求又可以簡化計(jì)算,隨著激勵載荷的增大,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)雙模態(tài)位移或多模態(tài)位移時,應(yīng)用雙模態(tài)或多模態(tài)位移求解問題精度較高且更合理;數(shù)值模擬結(jié)果表明:隨著激勵載荷的變化,第一階模態(tài)位移解中出現(xiàn)了穩(wěn)定的周期運(yùn)動和復(fù)雜的混沌運(yùn)動。基于Donnell’s非線性薄殼理論,建立了層壓復(fù)合材料機(jī)匣的動力學(xué)模型,并采用雙模態(tài)位移解對其振動特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:較單一材料機(jī)匣,機(jī)匣內(nèi)外層材料厚度的不同,對單、雙態(tài)模態(tài)位移解對應(yīng)的激勵載荷區(qū)間有顯著影響;不同的內(nèi)外層材料厚度下,單、雙模態(tài)位移在轉(zhuǎn)換過程中有不同的規(guī)律,在某些特定的材料厚度下,單、雙模態(tài)位移在轉(zhuǎn)換過程中會出現(xiàn)分岔、突跳等不同的現(xiàn)象。徑向內(nèi)壓作用下正交各向異性材料機(jī)匣的彈性穩(wěn)定性分析表明:在強(qiáng)度允許的范圍內(nèi),徑向內(nèi)壓的存在、機(jī)匣厚度的增加、軸向彈性模量和周向彈性模量的增大均能夠提高機(jī)匣抵抗軸向失穩(wěn)的能力;徑向內(nèi)壓的存在,改變了機(jī)匣材料的“剛度”,提高了機(jī)匣的“共振頻率”;另外,由于各階振型的相互耦合,出現(xiàn)了系統(tǒng)的固有頻率點(diǎn)和共振曲線的峰值存在微小偏差的現(xiàn)象。根據(jù)機(jī)匣裂紋的實(shí)際形式,建立了含環(huán)向表面裂紋機(jī)匣的動力學(xué)模型,提出了以裂紋截面為分界面,分段設(shè)解再聯(lián)合求解的思路,在裂紋區(qū)域引入位移協(xié)調(diào)法,詳細(xì)的研究了裂紋位置、裂紋深度、軸向振型階數(shù)對裂紋機(jī)匣的振型特征的影響。結(jié)果表明:軸向彎矩對系統(tǒng)局部柔度的影響最大,是引起裂紋機(jī)匣振動加劇的主要因素;總的來說,裂紋出現(xiàn)在振型峰值處附近時對系統(tǒng)振型的影響最大,但并不是絕對峰值點(diǎn);而在機(jī)匣的固支端附近,裂紋的出現(xiàn),反而減弱了系統(tǒng)的振動。裂紋深度的增大,總體來說會加劇系統(tǒng)的振動。由于軸向振型的變化在某種意義上改變了裂紋區(qū)域?qū)?yīng)的的振型位置,因此,不同的軸向振型階數(shù)對機(jī)匣軸向彎曲振型有不同的影響。本文的研究結(jié)果為航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ),對機(jī)匣動力學(xué)行為的研究具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】：機(jī)匣模型 薄殼動力學(xué) 雙模態(tài)位移解 層壓復(fù)合材料 環(huán)向表面裂紋 位移協(xié)調(diào)法
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V231.96
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-14
• 第1章 緒論14-25
• 1.1 課題背景及研究意義14-15
• 1.2 機(jī)匣結(jié)構(gòu)的理論研究現(xiàn)狀15-18
• 1.2.1 激勵載荷的主要形式16
• 1.2.2 傳統(tǒng)機(jī)匣動力學(xué)問題的研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3 復(fù)合材料機(jī)匣動力學(xué)問題研究現(xiàn)狀18-20
• 1.4 裂紋機(jī)匣動力學(xué)問題研究現(xiàn)狀20-23
• 1.4.1 裂紋梁結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題的研究現(xiàn)狀20-21
• 1.4.2 裂紋機(jī)匣(薄壁圓殼結(jié)構(gòu))的動力學(xué)研究現(xiàn)狀21-23
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容23-25
• 第2章 風(fēng)扇機(jī)匣的動力學(xué)建模與分析25-47
• 2.1 引言25
• 2.2 風(fēng)扇機(jī)匣的動力學(xué)建模25-33
• 2.2.1 基本假設(shè)與坐標(biāo)系25-27
• 2.2.2 機(jī)匣結(jié)構(gòu)的建模27-30
• 2.2.3 位移場的表達(dá)30-31
• 2.2.4 機(jī)匣振動的振型特征31-33
• 2.3 幾何參數(shù)對系統(tǒng)固有頻率的影響33-36
• 2.3.1 頻率方程的推導(dǎo)33-34
• 2.3.2 結(jié)果與討論34-36
• 2.4 風(fēng)扇機(jī)匣動力系統(tǒng)的奇異性分析36-41
• 2.4.1 多尺度法求解方程36-39
• 2.4.2 奇異性分析39-41
• 2.5 滯后現(xiàn)象對機(jī)匣開裂的影響41-45
• 2.5.1 滯后區(qū)間的計(jì)算42-43
• 2.5.2 滯后區(qū)間對機(jī)匣開裂的影響43-45
• 2.6 本章小結(jié)45-47
• 第3章 基于雙模態(tài)位移解的機(jī)匣振動特性分析47-62
• 3.1 引言47
• 3.2 機(jī)匣受迫振動的控制方程47-49
• 3.3 機(jī)匣振動的雙模態(tài)位移解49-52
• 3.3.1 雙模態(tài)位移解49-50
• 3.3.2 Galerkin原理50-51
• 3.3.3 控制方程51-52
• 3.4 解的穩(wěn)定性分析52-57
• 3.4.1 多尺度法求解52-54
• 3.4.2 零解的穩(wěn)定性54-55
• 3.4.3 非零解的穩(wěn)定性55-56
• 3.4.4 結(jié)果與討論56-57
• 3.5 振動特性的數(shù)值模擬57-61
• 3.6 本章小結(jié)61-62
• 第4章 層壓復(fù)合材料機(jī)匣的動力學(xué)建模與分析62-79
• 4.1 引言62
• 4.2 層壓復(fù)合材料機(jī)匣的動力學(xué)建模62-67
• 4.2.1 模型的選取62-64
• 4.2.2 振動方程的推導(dǎo)64-67
• 4.3 振動方程的雙模態(tài)位移解67-71
• 4.3.1 振動方程的Galerkin變換68-69
• 4.3.2 多尺度法求解69-71
• 4.4 層壓復(fù)合材料機(jī)匣的穩(wěn)定性分析71-77
• 4.4.1 零解的穩(wěn)定性71-73
• 4.4.2 非零解的穩(wěn)定性73-77
• 4.5 本章小結(jié)77-79
• 第5章 正交各向異性材料機(jī)匣的彈性穩(wěn)定性分析79-93
• 5.1 引言79
• 5.2 基于Flügge殼體理論的正交各向異性材料機(jī)匣的振動方程79-81
• 5.2.1 正交各向異性材料機(jī)匣模型79-80
• 5.2.2 振動方程80-81
• 5.3 正交各向異性材料機(jī)匣的彈性穩(wěn)定性分析81-87
• 5.3.1 軸向失穩(wěn)壓力的計(jì)算81-84
• 5.3.2 彈性穩(wěn)定性分析84-87
• 5.4 徑向簡諧激勵下機(jī)匣的振動特性分析87-92
• 5.4.1 位移場的推導(dǎo)87-89
• 5.4.2 位移響應(yīng)的數(shù)值分析89-92
• 5.5 本章小結(jié)92-93
• 第6章 含環(huán)向表面裂紋機(jī)匣的動力學(xué)建模與振型特征分析93-107
• 6.1 引言93
• 6.2 含環(huán)向表面裂紋機(jī)匣的動力學(xué)模型93-98
• 6.2.1 裂紋機(jī)匣模型93-94
• 6.2.2 理論推導(dǎo)94-97
• 6.2.3 位移場的表達(dá)97-98
• 6.3 局部柔度系數(shù)的計(jì)算98-100
• 6.4 軸向彎曲振動的振型特征分析100-105
• 6.4.1 軸向振型函數(shù)100-101
• 6.4.2 振型特征分析101-105
• 6.5 本章小結(jié)105-107
• 結(jié)論107-110
• 參考文獻(xiàn)110-121
• 附錄121-124
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果124-126
• 致謝126-127
• 個人簡歷127

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：791718