1  緒論 

飛機(jī)在尋求更快、更高的同時(shí)，也給航空發(fā)動(dòng)機(jī)提出了更高的性能指標(biāo)，即承受高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的載荷。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性和耐久性問題是一直困擾著高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，其中葉片輪盤系統(tǒng)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，由于葉盤系統(tǒng)工作狀態(tài)的特殊性，往往會(huì)受到非定常因素的影響（壓力場(chǎng)、不平衡激勵(lì)和溫度場(chǎng)），從而使葉片產(chǎn)生不穩(wěn)定振動(dòng)。它的耦合振動(dòng)直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，耦合振動(dòng)會(huì)誘發(fā)轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)的高周疲勞破壞（Hing Cyclic Fatigue），從而使轉(zhuǎn)子葉片發(fā)生疲勞失效，這是設(shè)計(jì)人員關(guān)心的主要問題[1]。例如美軍飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生過多起葉片斷裂事故，在 2015 年 9月和 12 月中國(guó)的殲 10 戰(zhàn)機(jī)就發(fā)生兩起發(fā)動(dòng)機(jī)突然停車而導(dǎo)致墜機(jī)事件。美國(guó)軍方報(bào)告顯示 HCF 失效率占航空發(fā)動(dòng)機(jī)總故障率的一半以上，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制和實(shí)際試車期間更易發(fā)生 HCF 問題�？梢姡琀CF 故障極大威脅發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)葉盤系統(tǒng)的振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效地預(yù)測(cè)和評(píng)估。 

.......

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(dòng)模型 

雖然上述已對(duì)失諧系統(tǒng)模態(tài)局部化進(jìn)行定性的研究，但要準(zhǔn)確描述模態(tài)局部化程度，就必然對(duì)其進(jìn)行定量化的研究，分析過程中通常需定義一個(gè)振動(dòng)局部化因子。近些年來，不少學(xué)者在著重研究失諧系統(tǒng)的振動(dòng)局部化程度時(shí)，給出了多種局部化因子的表達(dá)式。根據(jù)振動(dòng)在失諧葉盤中傳播的理論，一些學(xué)者將局部化因子定義為指數(shù)形式來描述振動(dòng)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(duì)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(dòng)能量，通常葉片的振動(dòng)能量與葉片位移平方成正比。對(duì)于多自由度葉片，葉片的振動(dòng)能量可以采用歐幾里德范數(shù)（Euclidean  norm）的形式來進(jìn)行近似表示。

2.2  諧調(diào)系統(tǒng)振型特性 

研究諧調(diào)系統(tǒng)的固有特性，對(duì)于探知由失諧而造成葉盤系統(tǒng)模態(tài)局部化和振動(dòng)響應(yīng)局部化有著重要作用。非旋轉(zhuǎn)態(tài)下葉盤結(jié)構(gòu)的固有特性只取決于結(jié)構(gòu)的材料特性、幾何特性及邊界條件，與其他因素?zé)o關(guān)。葉盤系統(tǒng)的模態(tài)振型是指結(jié)構(gòu)在某階頻率下振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)中各點(diǎn)振動(dòng)位移的相對(duì)關(guān)系。在 Mtalab 中為了方便計(jì)算分析，將葉盤系統(tǒng)的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行無量綱化，具體參數(shù)如表 2.1 所示。圖 2.2 為諧調(diào)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(diào)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(dòng)響應(yīng)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(qiáng)度對(duì)葉片輪盤系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)局部化的影響 ............... 24 
3.3 不同失諧葉片位置對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)局部化的影響 ............ 26 
4  葉片振動(dòng)有限元分析 ............. 35
 4.1  葉片振動(dòng)有限元分析 ......... 35 
4.2  溫度對(duì)葉片頻率的影響 ........... 42 
4.3  本章小結(jié) ............ 43 
5  葉片輪盤系統(tǒng)振動(dòng)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(dòng)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(jié)構(gòu)整體的三維模型，，利用有限元軟件分析研究對(duì)葉片輪盤結(jié)構(gòu)整體在諧調(diào)狀態(tài)和失諧狀態(tài)時(shí)振動(dòng)特性。由于諧調(diào)葉盤結(jié)構(gòu)為周期循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在分析時(shí)為了節(jié)省計(jì)算資源采用循環(huán)對(duì)稱方法。然而該方法對(duì)于失諧葉盤結(jié)構(gòu)的研究就失效了，于是本文將采用動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合分析方法對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)分析。為了探測(cè)葉盤結(jié)構(gòu)整體的共振頻率，本文對(duì)此進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

5.2  葉片輪盤系統(tǒng)模態(tài)分析

一般子結(jié)構(gòu)模態(tài)綜合分析過程：依據(jù)相關(guān)理論對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分生產(chǎn)若干個(gè)子結(jié)構(gòu)，然后對(duì)各個(gè)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)分析并根據(jù)邊界條件連接，最后把分析結(jié)果擴(kuò)展到整個(gè)結(jié)構(gòu)上。從而在節(jié)省計(jì)算空間的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的分析。其中包括生成部分、使用部分和擴(kuò)展部分。 生成部分是通過定義主自由度把子結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)參數(shù)映射到主自由度上，將子結(jié)構(gòu)的普通單元凝聚成一個(gè)超單元。 使用部分是將子結(jié)構(gòu)與模型整體相連做出分析，使用部分求出的解是子結(jié)構(gòu)完全解在主自由上的映射，即主自由度的完全解。 擴(kuò)展部分是將主自由度的完全解擴(kuò)展映射到子結(jié)構(gòu)所有自由度，得到子結(jié)構(gòu)整體的完全解。 
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6 結(jié)論 

本文針對(duì)壓氣機(jī)某級(jí)葉片輪盤振動(dòng)問題進(jìn)行研究，對(duì)其振動(dòng)特性進(jìn)行理論分析和對(duì)單個(gè)葉片及葉盤整體進(jìn)行仿真分析。對(duì)本文的總結(jié)如下：（1）失諧引起模態(tài)局部化現(xiàn)象。諧調(diào)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(duì)其作用結(jié)果程度不一；失諧葉片位置交替變化頻繁性對(duì)失諧系統(tǒng)模態(tài)局部化作用程度有限。（2）失諧對(duì)葉盤系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)特性的影響。激勵(lì)階次對(duì)諧調(diào)系統(tǒng)振動(dòng)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(duì)葉片布局進(jìn)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(gè)葉片進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。在力學(xué)性能中，葉片受到的氣動(dòng)載荷產(chǎn)生的氣動(dòng)彎曲應(yīng)力抵消了一部分離心載荷產(chǎn)生的離心彎曲應(yīng)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(xiàn)（略）

本文編號(hào)：74574