航空发动机高速滚珠轴承力学特性分析与研究

滚动轴承是航空发动机转子系统广泛使用的一种支承,其结构和力学特性对转子系统的动力特性有重要的影响,尤其是高速下更为显著。研究高速滚动轴承的力学特性具有十分重要的意义。本文利用拟动力学法,同时考虑径向负荷、轴向负荷、自身离心力以及陀螺力矩作用的影响,建立了高速滚珠轴承载荷分布的分析模型。研究了不同结构参数和载荷参数对滚珠轴承力学特性的影响,得到了滚珠轴承接触角、变形以及接触刚度的变化规律。最后,通过实验进行了验证。

滚动轴承非线性轴承力及其对轴承系统振动特性的影响

滚动轴承在旋转机械中应用及其广泛,其振动特性对旋转机械的正常运行有很大影响。本文基于赫兹弹性接触理论和滚动轴承运动学,推导了滚动轴承在工作状态下产生的非线性轴承力,并在此基础上对滚动轴承系统的振动特性进行了分析。研究结果表明:滚动轴承的非线性轴承力会诱发变刚度振动。系统响应中存在多种周期(谐波、次谐波和超谐波)和非周期(拟周期和混沌)响应。通过频谱图、Po incaré图和分叉图,分析了滚动轴承系统在不同参数下的周期分叉特性。当非线性轴承力和不平衡力共同作用时,滚动轴承系统会产生组合振动,随着不平衡力的增大变刚度振动所对应频率的幅值逐渐降低。

高速陶瓷滚动轴承等效刚度分析与试验

高速旋转机械,尤其是微小型发动机广泛采用陶瓷滚动轴承。轴承支承刚度对高速转子——支承系统的动力特性有重要的影响。滑动轴承已有比较系统的动力特性数据库可供参考使用;滚动轴承一般按经验公式估算其刚度特性或简化为定常的弹性元件,但误差较大。本文分析了影响滚动轴承等效刚度的主要因素,提出了滚动轴承等效刚度的计算方法,并设计了试验装置,对陶瓷轴承的等效刚度进行测试。理论分析和试验取得了比较一致的结果。

航空发动机滚动轴承的载荷分布研究

滚动轴承载荷分布的研究大多应用基于Hertz接触理论的拟动力学法进行。由于Hertz接触理论半无限空间的边界条件,以及分析时采用刚性套圈假设,拟动力学法的计算结果与实际情况有较大出入。近年来随着有限元、边界元等数值计算方法的发展,使考虑套圈变形和边界条件影响的滚动轴承载荷分布的研究成为可能。建立滚动轴承载荷分布的有限元分析模型,分析载荷参数对轴承接触应力、接触角和变形的影响规律,并将有限元法的计算结果与拟动力学法及实验结果进行分析比较。研究表明：由于有限元法考虑套圈变形以及边界条件的影响,与实验结果更为接近。

叶轮偏心引起的气流激振力对转子稳定性影响的分析

转子偏心引起的气流激振力在一定条件下可能诱发转子失稳。分析了叶轮偏心引起转子失稳的机理和特点。以Jeffcott转子为例,利用Routh-Hurwitz准则讨论了叶轮偏心转子失稳的影响因素。研究表明支承刚度的不对称和大阻尼比都将提高转子稳定性的门槛值。提出了叶轮偏心转子失稳门槛值的计算方法,建立了优化模型,通过优化转子系统的支承刚度和直径提高了系统的失稳门槛值。计算实例表明了该方法对提高系统的稳定性具有良好的效果。

非线性支承转子的动平衡

影响系数法是利用线性系统中校正量和被测量之间的线性关系进行转子动平衡。实际应用中,转子系统往往是支承在具有非线性刚度的轴承上。由于线性假设不成立,直接使用影响系数法进行转子动平衡将十分困难。本文运用Lagrange方程和柔度影响系数,建立了非线性支承多盘转子系统的动平衡计算模型,提出了运用优化算法对非线性系统进行等效线性化来平衡非线性支承转子的方法。计算实例表明转子由不平衡量引起的振动得到了大幅度减少,达到了非线性支承转子动平衡的目的,效果良好。

厘米级微型发动机转子系统分析

重点讨论了厘米级微型发动机转子系统的结构与动力特性,总结了微型涡轮发动机轴系和动力学设计的一般规律和特点,指出了微型发动机转子结构与动力特性研究的方向。

航空发动机结构参数化设计

介绍了航空发动机结构参数化设计方法,为发动机总体结构方案设计提供了简便、快捷、多方案选择的途径。参数化设计技术的运用将大大提高航空发动机结构设计的速度和质量。

考虑温度影响的气膜阻尼结构抑振率分析

气膜阻尼能够有效抑制航空发动机叶片的多阶振动,且具有结构简单、附加质量小等优点。针对带气膜阻尼平板结构,建立了带气膜阻尼平板振动模型,推导出考虑温度影响的抑振率表达式;采用有限元法,研究了均匀温度场和非均匀温度场对气膜阻尼结构抑振率的影响。结果表明:①无论是在均匀温度场还是非均匀温度场下,带气膜阻尼平板均表现出较高的抑振率;在两种温度场下,平板温度由20℃增加至600℃,带气膜阻尼平板抑振率增幅均不超过10%。②气膜内气体温度由室温20℃增加到600℃时,带气膜阻尼平板抑振率增幅变化不超过4%,气膜内气体随温度变化对带气膜阻尼平板抑振率影响较小,可适用于不同温度环境。③当平板振动为二扭振型时,气膜阻尼结构抑振效果不仅大幅下降,而且吸振薄板的振动会加剧平板本身的振动,且在不同温度梯度下都可能出现。

最小二乘影响系数法的优化改进

阐述了柔性转子高速动平衡的最小二乘影响系数法和加权最小二乘法的基本原理 ,在此基础上提出了基于遗传算法的最小二乘法 ,并对考虑平衡质量受限时的最小二乘法进行简化修改后得到了限制配重的最小二乘法。比较分析这几种方法的适用性 ,进行了算例分析。结果表明 ,在对平衡配重量及平衡后的残余振动值要求不同时 ,应该分别采用不同的改进最小二乘法。其中基于遗传算法的最小二乘法 ,综合了以上改进最小二乘法的适用性 ,使平衡配重量和残余振动值均达到了优化。

航空发动机高速滚珠轴承振动特性研究

Ball bearing is widely used as rotor supporting.It is a non-negligible source of vibration in aero-engines.The vibration characteristics of the highspeed ball bearing are studied in this paper.Bearing kinematics theory is applied to discuss the basic characteristics of ball bearings.The vibration factors caused by ball bearings are analyzed,and then the vibration model of ball bearings is set up.The effect of the unbalance,the ball passage vibration,the radial clearance and the surface waviness are considered.It is found that the ball passage vibration is excited by the contact force between the balls and the races.Increasing the numbers of ball can reduce the vibration amplitude.The surface waviness which is caused due to the geometric imperfection of ball bearings is considered as one of the important vibration sources of bearing systems.

带气膜阻尼悬臂平板振动特性的统计能量分析

针对航空发动机风扇叶片气膜阻尼的结构设计,采用统计能量分析法深入分析了气膜阻尼系统的振动特性,建立了带气膜阻尼悬臂平板的阻抗传递模型。基于多物理场耦合机理,将气膜内气体的流动分别等效为不可压缩和可压缩流体的流动,推导出气膜阻尼结构的阻尼比方程,研究了带气膜阻尼悬臂平板全频段范围内的振动特性。结果表明:气膜阻尼系统对平板有很好的抑振作用,并且气膜阻尼系统的振动存在临界频率,在临界频率以下,不可压缩流体模型与可压缩流体模型几乎无差异,但在临界频率以上,可压缩流体模型能够更好地计算气膜阻尼系统的阻尼比,更符合实际流体的泵吸效应。

“四性四融”的项目式实习模式探索与实践

为解决传统实习不深入、实习条件不满足需要、学科交叉效果不佳、教学与生产相脱节等问题,结合国家航空发动机自主创新的重大战略需求和飞行器动力工程专业"四性"人才培养目标,提出了"四性四融"的项目式实习模式。以航空发动机改型设计项目式实习为例,从具体的工程项目出发,详细阐述"四性四融"的本质和内在联系。该实习模式改变了传统实习实践模式,激发了学生的学习兴趣,提高了学生的创新能力、多学科交叉能力、系统思维能力和工程实践能力。实践表明,"四性四融"的项目式实习模式行之有效,成效显著,提高了人才培养质量。

高速微型向心涡轮转子研究

对某微型向心涡轮转子进行了结构动力学分析.并对转台上的涡轮转子的振动进行了试验研究,分析了振动过大和倍频等问题出现的原因,提出了改进措施,排除了微型涡轮转子的振动故障,保证了转台的安全运行.

非线性振动问题等效线性化研究

采用Newmark-β法及Runge-Kutta法求解非线性振动的响应,阐述了Newmark-β时间推进方法和求解非线性振动方程组的迭代过程.讨论了基于优化理论的等效线性化方法,并采用遗传算法求多变量极值,将实际非线性振动系统等效为线性振动系统.通过算例分析了在单自由度和多自由度情况下,非线性系统的振动响应和等效线性系统的振动响应的问题,验证了对非线性振动问题进行等效线性化的可行性.

厘米级微型发动机转子系统分析

微型飞行器技术作为一个崭新的研究领域,在国内外迅速兴起.厘米级微型发动机的研究也日益引起了广泛的重视.本文针对微型发动机的主要结构特点,重点讨论微型发动机转子系统结构与动力特性.总结出了微型涡轮发动机轴系和动力学设计的一般规律和特点,提出了微型发动机转子结构与动力特性研究的方向.

Ⅰ-Ⅱ复合型唇形裂纹尖端塑性区分析

本文采用保角变换方法,建立了拉伸载荷下Ⅰ/Ⅱ复合型唇形裂纹的扩展模型,基于Irwin小屈服等效假设,建立了拉伸载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型唇形裂纹尖端塑性扩展区模型,得到了唇形裂纹尖端塑性区Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子的表达式、基于该模型,进一步得到了唇形裂纹尖端延长线上的应力分布,并建立拉伸仿真模型,将唇形裂纹尖端应力分布理论解与弹塑性仿真解以及线弹性仿真解进行对比,研究结果表明:基于Irwin小屈服等效假设修正后的唇形裂纹尺寸会变大,唇形裂纹等效应力强度因子变大;唇形裂纹的形状参数的改变会对塑性区产生影响,相同宽长比情况下,半长越大,塑性区尺寸越大,相同半长情况下,宽长比越大,塑性区尺寸越小,且伴随唇形裂纹倾斜角越大,塑性区尺寸也会相应增加;基于Irwin小屈服等效假设的唇形裂纹尖端塑性修正理论与塑性有限元仿真具有较好的一致性,伴随唇形裂纹倾斜角增加,裂纹尖端的应力水平降低,一方面,这是由于裂纹扩展形式由Ⅰ型向Ⅰ-Ⅱ复合型的转变造成的影响,另一方面,对于大倾斜角情况下,唇形裂纹腹部出现应力屈服现象,对唇形裂纹裂纹尖端的应力集中产生分担的影响,造成裂纹尖端应力水平的降低.