發(fā)布時間：2016-07-21 21:59

1  緒論 

飛機在尋求更快、更高的同時，也給航空發(fā)動機提出了更高的性能指標，即承受高溫、高壓、高轉速的載荷。發(fā)動機的工作可靠性和耐久性問題是一直困擾著高性能發(fā)動機的發(fā)展，其中葉片輪盤系統(tǒng)作為航空發(fā)動機的核心部件，由于葉盤系統(tǒng)工作狀態(tài)的特殊性，往往會受到非定常因素的影響（壓力場、不平衡激勵和溫度場），從而使葉片產(chǎn)生不穩(wěn)定振動。它的耦合振動直接影響著發(fā)動機的正常工作，耦合振動會誘發(fā)轉子葉片振動的高周疲勞破壞（Hing Cyclic Fatigue），從而使轉子葉片發(fā)生疲勞失效，這是設計人員關心的主要問題[1]。例如美軍飛機的發(fā)動機發(fā)生過多起葉片斷裂事故，在 2015 年 9月和 12 月中國的殲 10 戰(zhàn)機就發(fā)生兩起發(fā)動機突然停車而導致墜機事件。美國軍方報告顯示 HCF 失效率占航空發(fā)動機總故障率的一半以上，在發(fā)動機研制和實際試車期間更易發(fā)生 HCF 問題�？梢�，HCF 故障極大威脅發(fā)動機安全性，HCF 故障具有突發(fā)性。因此，為了避免 HCF 故障發(fā)生，在設計時必須對葉盤系統(tǒng)的振動風險進行有效地預測和評估。 

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2  失諧葉片輪盤系統(tǒng)模態(tài)局部化特性分析 

2.1  葉片輪盤系統(tǒng)的振動模型 

雖然上述已對失諧系統(tǒng)模態(tài)局部化進行定性的研究，但要準確描述模態(tài)局部化程度，就必然對其進行定量化的研究，分析過程中通常需定義一個振動局部化因子。近些年來，不少學者在著重研究失諧系統(tǒng)的振動局部化程度時，給出了多種局部化因子的表達式。根據(jù)振動在失諧葉盤中傳播的理論，一些學者將局部化因子定義為指數(shù)形式來描述振動幅值的衰減程度。從而可以定量化的描述各種系統(tǒng)參數(shù)對失諧系統(tǒng)模態(tài)局部化的影響程度。為了分析葉盤系統(tǒng)能量集中的程度�；诒疚难芯康募袇�(shù)模型，可采用葉片的模態(tài)振幅表示模態(tài)振動能量，通常葉片的振動能量與葉片位移平方成正比。對于多自由度葉片，葉片的振動能量可以采用歐幾里德范數(shù)（Euclidean  norm）的形式來進行近似表示。

2.2  諧調系統(tǒng)振型特性 

研究諧調系統(tǒng)的固有特性，對于探知由失諧而造成葉盤系統(tǒng)模態(tài)局部化和振動響應局部化有著重要作用。非旋轉態(tài)下葉盤結構的固有特性只取決于結構的材料特性、幾何特性及邊界條件，與其他因素無關。葉盤系統(tǒng)的模態(tài)振型是指結構在某階頻率下振動時，結構中各點振動位移的相對關系。在 Mtalab 中為了方便計算分析，將葉盤系統(tǒng)的各個結構參數(shù)進行無量綱化，具體參數(shù)如表 2.1 所示。圖 2.2 為諧調系統(tǒng)前 12 階葉片的模態(tài)振型。從圖 2.2 中發(fā)現(xiàn)，諧調系統(tǒng)的模態(tài)振型表現(xiàn)出周期性并呈諧波變化，即葉片的模態(tài)振幅呈現(xiàn)正弦或余弦波的變化形式，隨著模態(tài)階次的增加葉片振型節(jié)徑數(shù)也依次增加。

3  失諧葉片輪盤系統(tǒng)振動響應局部化及優(yōu)化研究 .............. 21 

3.1  失諧葉片輪盤系統(tǒng)的描述 ................... 21 
3.2  失諧強度對葉片輪盤系統(tǒng)振動響應局部化的影響 ............... 24 
3.3 不同失諧葉片位置對系統(tǒng)振動響應局部化的影響 ............ 26 
4  葉片振動有限元分析 ............. 35
 4.1  葉片振動有限元分析 ......... 35 
4.2  溫度對葉片頻率的影響 ........... 42 
4.3  本章小結 ............ 43 
5  葉片輪盤系統(tǒng)振動有限元分析 ................ 44 
5.1  葉片輪盤整體模型建立 .............. 44 
5.2  葉片輪盤系統(tǒng)模態(tài)分析 ................ 46

5  葉片輪盤系統(tǒng)振動有限元分析 

5.1  葉片輪盤整體模型建立

本章通過建立葉片輪盤結構整體的三維模型，，利用有限元軟件分析研究對葉片輪盤結構整體在諧調狀態(tài)和失諧狀態(tài)時振動特性。由于諧調葉盤結構為周期循環(huán)對稱結構，因此在分析時為了節(jié)省計算資源采用循環(huán)對稱方法。然而該方法對于失諧葉盤結構的研究就失效了，于是本文將采用動態(tài)子結構模態(tài)綜合分析方法對其進行振動分析。為了探測葉盤結構整體的共振頻率，本文對此進行諧響應分析。

5.2  葉片輪盤系統(tǒng)模態(tài)分析

一般子結構模態(tài)綜合分析過程：依據(jù)相關理論對整體結構進行劃分生產(chǎn)若干個子結構，然后對各個子結構進行單獨分析并根據(jù)邊界條件連接，最后把分析結果擴展到整個結構上。從而在節(jié)省計算空間的前提下實現(xiàn)對整體結構的分析。其中包括生成部分、使用部分和擴展部分。 生成部分是通過定義主自由度把子結構中的節(jié)點參數(shù)映射到主自由度上，將子結構的普通單元凝聚成一個超單元。 使用部分是將子結構與模型整體相連做出分析，使用部分求出的解是子結構完全解在主自由上的映射，即主自由度的完全解。 擴展部分是將主自由度的完全解擴展映射到子結構所有自由度，得到子結構整體的完全解。 
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6 結論 

本文針對壓氣機某級葉片輪盤振動問題進行研究，對其振動特性進行理論分析和對單個葉片及葉盤整體進行仿真分析。對本文的總結如下：（1）失諧引起模態(tài)局部化現(xiàn)象。諧調系統(tǒng)的振型呈現(xiàn)諧波變化，無局部化現(xiàn)象發(fā)生；一般情況，失諧使系統(tǒng)出現(xiàn)模態(tài)局部化，不同參數(shù)對其作用結果程度不一；失諧葉片位置交替變化頻繁性對失諧系統(tǒng)模態(tài)局部化作用程度有限。（2）失諧對葉盤系統(tǒng)振動響應特性的影響。激勵階次對諧調系統(tǒng)振動的影響表現(xiàn)為周期性，失諧打破了這種周期性規(guī)律，失諧增加了系統(tǒng)的共振峰值，共振區(qū)域變寬，失諧葉片位置交替變化越頻繁，共振區(qū)域有較小幅度增寬，峰值大小也增大有限。（3）合理的葉片布置能夠減輕失諧系統(tǒng)局部化程度。因此利用智能算法對葉片布局進行優(yōu)化，可以減輕失諧系統(tǒng)局部化程度，但不能消除局部化現(xiàn)象。（4）單個葉片進行動力學仿真分析。在力學性能中，葉片受到的氣動載荷產(chǎn)生的氣動彎曲應力抵消了一部分離心載荷產(chǎn)生的離心彎曲應力；溫度升高使得葉片的剛度降低，這樣固有頻率將有所減小。

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參考文獻（略）

本文編號：74574