基于拓扑优化的叶盘压电阻尼器性能研究

针对压电分支阻尼技术在航空发动机叶盘结构振动抑制问题中的应用,提出了一种拓扑优化方法,可给出限定用量的压电材料在轮盘上的最佳位置,以提升压电分支阻尼的上限。在轮盘上布置压电材料还可防止对叶片通道内流场的影响,避免降低流体效率。首先,论述了该拓扑优化方法的原理,推导了模态机电耦合系数这一核心参数的计算公式及其与最佳阻尼比、模态应变场的关系。其次,建立了基于模态应变场的压电材料分布拓扑优化方法,可用于任意有限元模型。最后,将该优化方法应用于一个航空发动机压气机叶盘结构模型,分别针对单一和多阶模态进行了压电材料在轮盘上分布的拓扑优化,研究这种铺设方式对各典型模态(轮盘主导、叶片主导、耦合振动)的振动抑制效果。结果表明,在仅采用占轮盘质量5%的压电材料的情况下,优化后的压电阻尼器最多可以为轮盘振动主导模态及叶片-轮盘耦合振动模态提供约13%的模态阻尼比,为叶片主导模态提供的模态阻尼比集中在2%~4%。

用于叶片减振的压电材料分布拓扑优化

提出一种可用于实际叶盘结构的压电分支阻尼器拓扑优化方法,可以给出总质量受约束的压电材料在叶片上的最佳分布,达到尽可能大的模态阻尼比。通过理论推导说明:压电阻尼器所产生的模态阻尼比仅取决于模态机电耦合系数,且该系数只与压电材料的几何形状以及模态应力场有关。进一步结合压电本构关系,基于应力分量的线性加权给出了有限的压电材料在叶片上铺设位置"优先级"的判断指标。给出了基于叶盘结构有限元模型的压电材料拓扑优化方法,通过替换单元类型和材料参数的方式对压电材料进行布置,并给出了多模态族优化、极化方向设置、电极铺设等问题的解决方案。在一个接近真实的叶盘模型上应用了此优化方法。结果表明,仅使用质量占叶片质量10%的压电材料,就可以为多个模态提供约12%的阻尼比。

基于加速动态拉格朗日法的摩擦片阻尼分析

提出了一种可用于增强薄壁结构阻尼的波纹形片状干摩擦阻尼器,并利用一种改进的非线性动力学计算方法对其稳态响应特性进行了分析。首先通过两重减缩使非线性系统自由度变成接触节点间相对位移的形式从而降低矩阵规模,在高阶谐波平衡法的基础上引入了速度型动态拉格朗日法,并通过提供解析形式的雅克比矩阵来提高计算效率与数值稳定性,从而构成了用于预测非线性系统强迫响应的算法。在一个集中参数模型上用切向/法向刚度法与时域推进法这两种主流非线性计算方法对本文算法的合理性进行了验证。利用该算法对带有波纹形阻尼器的薄壁板结构进行分析,结果表明,摩擦片对薄壁板有很好的振动抑制作用,在质量仅占主体结构0.6%的情况下,能够使共振峰值下降75.4%。该算法表现出较高的计算效率,减缩模型使用和解析雅克比矩阵的引入使CPU时间减小到原来的0.5%以下。