改进的混合界面子结构模态综合法在失谐叶盘结构动态特性分析中的应用

在保证精度的条件下，为了提高航空发动机动态特性分析的计算效率，针对传统混合界面子结构模态综合法（Hybrid interface substructural component modal synthesis method, HISCMSM）综合后还可能存在计算量大的问题，提出一种改进的HISCMSM。该方法将综合后的模型进一步减缩，建立了叶片＋轮盘的组合结构的参数化模型，对各个子结构建立有限元模型（Finite element model, FEM）并综合求其模态和振型。与整体结构有限元法相比，计算时间缩短23.86%～35.74%，模态偏差不大于0.49%，而传统法，其计算时间缩短14.63%～29.20%，模态偏差不超过0.57%，可见，该方法计算效率比传统法有显著提高，尤其是在高价模态求解时，计算效率提高的更加明显，同时分析了谐调与失谐叶盘结构模态位移、模态应力和模态应变能的分布，发现叶盘结构失谐后其对称性被破坏，出现了局部化现象，且随着失谐幅值的增大，振动逐渐向少数叶片集中，局部化现象越来越明显，为下一步的动态响应以及概率分析奠定了基础。

一种改进的固定界面模态综合法

针对传统模态综合法中由于高阶截断模态带来的计算误差问题,提出了一种改进的固定界面模态综合法。该方法将传统方法中截断舍弃掉的高阶模态部分展开成级数的形式,并保留级数的前r项参与计算,然后将子结构界面协调条件推广至高阶,剔除了这些级数保留项之间可能出现的线性相关问题,并将保留的前r项级数改写为广义坐标的形式,作为传统模态综合法中约束模态和低阶模态的修正项以提高计算精度。与其它改进方法相比,该方法既保留了高阶截断模态的影响,又不会出现非线性特征值迭代求解问题或Ritz基线性相关的问题。数值算例的结果表明本文提出的方法可以在参与综合的模态阶次不变的前提下,有效地提高计算精度,也说明了本文方法的有效性。

改进的混合界面子结构模态综合法在失谐叶盘结构模态分析中的应用

在保证精度的条件下,为了提高航空发动机模态分析的计算效率,针对传统混合界面子结构模态综合法由于综合后还可能存在计算量大的问题,提出一种改进的混合界面子结构模态综合法。该方法将综合后的模型进一步减缩,同时在减缩过程中引入位移和力的双协调条件,保证了计算的准确性。采用该方法建立了叶片-轮盘的组合结构的参数化模型,对各个子结构建立有限元模型并综合求其模态,与整体结构有限元法相比,计算时间缩短了23.86%~35.74%,模态偏差不大于0.57%,而传统法,其计算时间缩短了14.63%~29.20%,模态偏差不超过0.49%,可见,在相同的工作环境且保证精度的条件下,该方法计算效率比传统混合界面子结构模态综合法有显著提高,尤其是在高阶模态求解时,计算效率提高的更加明显,为下一步的振动响应及组合结构的动态特性研究奠定了基础。

中高阶子结构模态的精确综合法

提出基于固定界面子结构中高阶模态的双协调结构模态精确综合方法。首先用固定界面子结构的中高阶模态与精确剩余约束模态表达子结构位移;再利用界面力与位移的协调关系进一步消去界面自由度,建立双协调的精确缩聚变换;然后根据里兹法,得到结构模态运动的精确综合特征方程。最后,通过多种情况综合的数值结果验证该方法的综合能力与准确性。

带气膜孔的失谐整体叶盘的模态研究

在保证精度的条件下,为了提高航空发动机的计算效率与模拟的准确性,对经典混合界面子结构模态综合法(HISCMSM)进行改进,采用改进的HISCMSM建立了带气膜孔的失谐整体叶盘的有限元模型(FEM)并对其进行了模态分析,与高保真有限元模型方法(Finite element model method,FEMM)相比,相对误差≤0.79%,比整体高保真FEMM和经典的HICMSM计算效率分别提高31.01%～55.78%,0.89%～5.45%,研究中考虑了气膜孔的影响,发现气膜孔使得叶盘的模态频率降低,其中气膜孔的大小使得模态频率先减小后增大再减小,气膜孔的排列及角度的改变对叶盘模态频率的影响不大,而气膜孔数对其影响较大。为叶盘结构的设计提供了一定指导意义,为下一步的动力响应研究奠定了基础。

涂敷硬涂层的失谐整体叶盘减缩建模及振动分析

为了提高整体叶盘的服役寿命,提出一种对叶片涂敷硬涂层的减振方法。同时,针对失谐叶盘-硬涂层复合结构的运算规模庞大的难题,提出了一种双重减缩建模方法。利用一种改进的混合界面子结构(HISCMS)法对复合结构进行第一重的自由度减缩。利用一种模态密集判别准则与经典模态减缩(SNM)法的思想对综合后的模型进行第二重的模态减缩。选取了对叶片双面涂敷NiCoCrAlY+YSZ(yttria-stabilized zirconia,氧化锆)硬涂层的失谐叶盘进行仿真分析及试验测试,以探究失谐叶盘的振动情况以及硬涂层厚度对失谐叶盘的影响。结果表明:双重减缩建模方法能够在保证计算精度的前提下提高25.86%~42.05%的计算效率;而且硬涂层表现出较强的阻尼作用,能够在共振区显著抑制失谐叶盘的共振响应。