航空发动机叶片“频率转向”特性研究

针对航空发动机叶片的结构和运行特点,基于薄板弯曲理论,采用梁函数组合法推导了在变转速状态下悬臂板频率和振型的解析解一般表达式,研究了叶片在离心力作用下的"频率转向"特性和模态振型的变化规律,分析叶片展弦比对"频率转向"特性和模态振型的影响规律,较为详细地讨论了在"动频交叉点"叶片的模态振型。仿真结果表明,在叶片的动频曲线相交点处,相同厚度、相同长度的叶片,展弦比较大叶片的动频曲线交点对应的转速和频率较大;孤立的弯曲模态、扭转模态不会与其它模态耦合而导致频率转向。

基于刚柔耦合动力学的旋转悬臂梁的频率转向与振型转换特性

对旋转悬臂柔性梁的刚柔耦合一次近似模型的频率转向和振型转换特性进行研究,在精确描述柔性梁非线性变形基础上,计入柔性梁由于横向变形而引起的纵向缩短项,即二阶非线性耦合变形量,利用Hamilton变分原理和Rayleigh-Ritz假设模态法,推导出考虑'动力刚化'效应的一次近似耦合模型。引入量纲一参量,对耦合模型做归一化处理,利用状态空间法求解考虑横纵耦合效应的悬臂梁的固有频率和模态振型。研究发现,耦合效应对旋转悬臂梁固有频率的影响随旋转角速度的增大而变大;相邻两阶模态间存在频率转向,并在转向的过程中伴随着振型转换;相隔多阶模态间存在传递性频率转向,并在转向传递过程中伴随着振型转移;相邻两阶模态间还存在多次频率转向。

裂纹参数对航空发动机叶片频率转向特性影响研究

针对叶片运行中产生的疲劳裂纹会改变航空发动机振动特性及其频率转向、振型转换问题,建立航空发动机叶片有限元模型,基于结构模态振动理论研究裂纹参数,包括裂纹长度、裂纹位置变化对叶片固有振动及受迫振动特性影响;讨论频率转向区附近频率、振型变化规律。结果表明,裂纹长度、位置变化会逐渐改变叶片频率及振型,出现复杂的频率转向、模态耦合及振型转换特性,导致叶片同阶振动模态在不同裂纹长度、位置时具有不同的模态振型。

基于叶片贡献度的叶盘系统频率转向特性

为了分析频率转向对失谐叶盘系统振动的影响,针对某型航空发动机压气机叶盘系统,采用子结构模态综合法建立了有限元缩减模型,从应变能角度分析了叶盘系统的频率转向特性,计算了失谐叶盘系统模态振动贡献度因子和局部化因子。通过不同频率转向间隙对应的失谐叶盘系统受迫振动响应贡献度因子与局部化因子,分析了频率转向间隙和叶片贡献度因子对失谐叶盘系统局部化的影响。结果表明,频率转向对失谐叶盘系统振动局部化影响显著,在频率转向区域,失谐叶盘系统的振动局部化程度较高;随着频率转向间隙变化,叶片应变能对失谐叶盘系统局部化的贡献度呈现一定的规律性。

旋转叶片频率转向与振型转换特性

通过对典型旋转叶片的有限元分析,讨论了旋转叶片动频特性的“频率转向”和“振型转换”问题,尤其是关于多模态耦合的复杂“频率转向”和“振型转换”的现象和特点.首先讨论了旋转叶片动频特性中的两阶模态间“频率转向”和“振型转换”问题,说明了这种耦合振动问题的机理,然后研究了多阶模态相互耦合所导致的复杂“频率转向”和“振型转换”现象,对其基本特点进行了详细的分析和说明.

叶盘振动失谐敏感性与频率转向特性内在关系研究

叶盘结构频率转向现象是叶片模态与轮盘模态间相互耦合的结果,它直接影响着叶盘结构受迫振动响应对叶片失谐的敏感性。笔者基于真实叶盘结构的有限元模型,针对不同的叶片刚度失谐,分析了谐调叶盘、失谐叶盘受迫振动响应中各叶片的最大振动能量及叶片振动能量分布的局部化程度,研究了叶盘结构频率转向曲线上的不同位置、激振力频率及叶盘受迫振动响应对叶片失谐的敏感性三者之间的内在关系。研究结果表明,当激振力频率在频率转向点附近时,叶盘受迫振动响应对叶片失谐最敏感。最后,笔者给出了频率转向曲线上的不同位置与叶盘振动对叶片失谐敏感性强弱间的对应关系图。

叶盘结构频率转向特征的量化分析研究

研究叶盘结构频率转向的曲线特征,是预测叶盘结构的失谐敏感性及振动局部化程度的重要前提。文章基于叶盘系统的集中参数模型,分析了频率转向曲线特征参数(频率曲线转向处曲率、频率曲线斜率、两频率曲线转向处最小距离)与叶盘系统结构参数(耦合刚度,轮盘质量)之间的内在联系,仿真研究了频率转向曲线特征参数随叶盘系统结构参数的变化规律。研究结果表明:频率曲线转向处曲率越大(或斜率越大),系统失谐敏感性越大;频率转向曲线间隙处附近的系统模态局部化变化剧烈,该区域模态对结构失谐非常敏感。

裂纹叶片频率转向和振型转换特性研究

基于有限元法对裂纹悬臂平板叶片的频率转向和振型转换特性进行了线性和非线性研究。首先使用张开型裂纹模型通过线性模态分析研究了裂纹长度变化引起的频率转向和振型转换问题,使用模态置信因子定量分析了频率转向区内振型的渐变过程。而后考虑裂纹闭合效应,建立了裂纹平板的双线性模型,使用张开型和闭合型模型线性分析结果计算得到双线性频率,其中张开型和闭合型裂纹振型通过模态相关性分析进行匹配。计算了裂纹叶片双线性频率,分析了非线性频率转向特性与线性分析结果的差异。最后使用接触有限元模型瞬态响应扫频计算得到非线性共振频率,对张开型模型和双线性模型在典型弯曲、扭转和面内弯曲模态的共振频率进行了验证。

旋转薄板的一种高次动力学模型与频率转向

对固结于转动刚体上柔性薄板的刚柔耦合动力学和频率转向特性进行了深入研究,建立了系统的高次刚柔耦合动力学模型,该动力学模型计入了由于横向变形而引起的面内纵向缩短项,即非线性耦合变形量,并且完整保留了与非线性耦合变形量相关的所有项.研究表明,高次耦合模型不仅适用于小变形问题,而且还适用于大变形问题,弥补了一次近似耦合模型在处理大变形问题上的不足.旋转悬臂薄板相邻两阶模态间既有柔和的频率转向现象也有剧烈的频率转向现象.柔和的频率转向伴随着的振型转换的过程是连续的,而剧烈的频率转向伴随着的振型转换的过程则是不连续的.相隔多阶模态间存在传递性频率转向,并伴随着振型转移.

叶盘结构频率转向特征及失谐敏感性实验研究

搭建了用于失谐叶盘结构固有特性及失谐敏感性研究的实验平台,对谐调叶盘结构的频率转向现象进行了实验研究,验证了以往理论分析和有限元仿真中发现的频率转向特征和模态振型转换现象;通过在叶尖粘贴不同的质量块,模拟了三种典型的叶片失谐形式,实验研究了失谐叶盘结构的模态局部化问题;针对同一叶片失谐形式下不同的模态密度区域,实验研究了模态密度对失谐敏感性的影响规律。实验结果与有限元实验仿真结果吻合较好。

热载荷作用下旋转叶片频率转向特性

基于薄板弯曲理论,采用梁函数组合法对叶片进行动力特性分析,推导了变转速状态下叶片频率和振型的解析解的一般表达式,提出了在离心力场和温度场效应下研究叶片"频率转向"的一种方法,建立了计算叶片各阶频率和振型的理论依据。研究结果对提高叶片疲劳检测效率具有意义。

航空发动机压气机转子叶片频率转向特性研究

针对航空发动机压气机转子叶片的结构和工作特点,通过有限元方法对叶片进行模态分析,研究叶片的"频率转向"和"振型转换"现象,揭示了动频曲线转向趋势和振型耦合规律,并讨论了温度场对叶片“频率转向”特性的影响,分析叶片动频特性的详细变化规律,为叶片振动特性设计与考核提供了理论基础。

高速动车组车辆系统刚体模态频率转向研究

高速动车组车辆系统模态空间内模态参数演进规律是车辆系统物理空间中响应特性变化的基因。基于局部寻优算法,以车辆系统复模态振型的欧式贴近度为度量指标,提出车辆系统自适应模态连续追踪方法。建立高速动车组车辆系统23自由度动力学模型,对车辆系统模态参数随运行速度变化的演进规律开展研究,并通过虚拟激励法求解系统响应,进一步探讨模态空间中模态参数的演进与物理空间中的多模态耦合响应特性的映射关系。结果表明:所提出的模态追踪方法可依据复模态振型的欧式贴近度自适应速度步长,准确清晰地追踪车辆系统各阶模态;随着速度的提高,以转向架蛇行运动振型为主的模态频率提升至接近以车体下心滚摆和上心滚摆振型为主的模态频率时,模态频率曲线间并未出现交叉,而发生了先趋于集中而后转向分离的“频率转向”现象;车体横向振动的功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)在低频处的幅值明显增大,所对应的频率分别接近于频率转向前车体的下、上心滚摆频率;在频率转向区中,发生“频率转向”的2阶模态振型均主要表现为2阶振型的耦合形态,且其中1阶模态的阻尼比降低,使得耦合模态对应的系统物理响应明显放大,即转向架蛇行和车体下(上)心滚摆耦合模态响应显著增大;平稳性分析结果表明,在频率转向区处高速动车组车辆系统运行平稳性出现明显劣化。研究成果可为轨道车辆模态参数设计和运营速度规划提供参考。

硬涂层整体叶盘频率转向特性研究

硬涂层减振是一种极具应用前景的减振技术,被广泛应用于整体叶盘阻尼减振,研究旋转硬涂层整体叶盘频率转向特性具有重要意义。针对NiCoCrAlY+YSZ硬涂层整体叶盘减缩结构建立有限元模型,研究工作状态下硬涂层整体叶盘模态动频曲线两阶模态间频率转向和振型转换特性,和高阶模态间复杂的频率转向特性及硬涂层对整体叶盘频率转向和振型转换特性的影响。仿真结果表明:频率转向区附近转速n=600 rad/s时,无涂层整体叶盘第5阶和第6阶固有频率差值为15.14 Hz,硬涂层整体叶盘第5阶和第6阶固有频率差值为14.04 Hz,频率转向区附近固有频率变化率为7.26%;硬涂层的涂敷不会影响频率转向现象的发生,但改变了两阶模态间频率转向区动频曲线间隙,对频率转向区处模态振型无影响。

基于模糊控制的车辆线控转向变角传动比研究

为了提高线控转向车辆的操纵稳定性,文章首先在不同速域下对车辆响应进行研究,确定车辆稳态增益的变化特征。其次对不同方向盘输入频率的车辆响应进行分析,确定以转向输入频率为模式切换的阈值条件。然后对方向盘中位与“死区”的关系进行探究设计传动比的增量规律。最后,基于多因素的分析设计变结构传动比模糊控制器,并通过典型工况进行仿真研究。结果表明,在稳态回转试验工况下该策略在低车速下车辆转弯半径明显小于机械转向系统,并随着车速的提高横摆角速度响应降低但仍高于机械转向,这符合理想传动比的设计要求。同时在中间转向试验工况中,该策略下的车辆横向位移更小,符合在中间转向位置需要较大转向输入的预期。

基于改进驾驶员模型的车道保持控制模型

为解决传统车道保持系统控制精度较差、驾驶员模型对大曲率道路适应性不足的问题,对传统预瞄加速度驾驶员模型非零频率点进行泰勒展开以改进模型;利用驾驶模拟器试验数据和快速傅里叶方法（FFT）研究双移线道路下的主要转向频率,并搭建Simulink/Car Sim联合仿真模型以验证改进前后驾驶员模型的双移线路径跟踪精度。仿真试验表明：改进后模型的横向位移误差比改进前明显减小,车速为60、70和80 km/h时的最大横向位移误差比改进前分别降低了0.2、0.15和0.11 m;与常规道路人工势场车道保持系统的对比,改进驾驶员模型能够更好地控制车辆跟随期望路径行驶,体现出良好的车道保持能力。

叶盘系统频率转向与模态耦合特性分析

叶盘系统频率转向现象是系统模态间相互耦合的结果,并在较大程度上影响系统的振动特性.本文以系统模态能量的角度,从叶盘系统特征方程中导出各子模态能量的表达式,并利用集中参数模型,系统地研究了叶盘系统频率转向特性与系统模态中各子模态能量的变化规律.通过研究叶盘模态耦合能量的变化特性,较为全面地分析和总结了系统频率转向与各子模态能量变化之间的内在联系.

叶片失谐对叶盘结构振动特性的影响

叶片失谐在实际叶盘结构中是不可避免的,并严重影响叶盘的振动特性。文章将失谐叶盘的模态及受迫振动响应投影到谐调叶盘模态空间,并提出一种节径谱的研究方法,通过关于不同节径的谐调模态的组合来描述失谐叶盘模态和受迫响应。基于叶盘集中参数模型,分析了叶片刚度失谐对叶盘频率转向区内外的模态振型及受迫响应等特性的影响规律。研究表明,节径谱的研究方法能够较为准确地捕捉失谐对叶盘结构振动特性的影响作用,对建立失谐与谐调叶盘结构振动特性之间的内在联系具有重要意义。

弹性连接旋转柔性梁动力学分析

采用Chebyshev谱方法对考虑根部连接弹性的平面内旋转柔性梁动力学特性进行研究.基于Gauss--Lobatto节点与Chebyshev多项式方法对柔性梁变形场进行离散,通过投影矩阵法施加固定及弹性连接边界条件.利用Chebyshev谱方法获得了系统固有频率和模态振型数值解,通过与有限元方法及加权残余法的比较,验证了方法的有效性.分析了弹性连接刚度、角速度比率、系统径长比及梁的长细比等参数对系统固有频率及模态振型的影响.研究发现:由于系统弯曲模态、拉伸模态的频率随各参数的变化规律不一致,将出现频率转向与振型转换现象;随着弹性连接刚度、角速度比率及系统径长比的增大,低阶弯曲模态频率增大并超过高阶拉伸模态频率,随着梁的长细比的增大,低阶拉伸模态频率增大并超过高阶弯曲模态频率.

受损悬索对称性破缺下非线性耦合振动研究

对称性是振动理论中5大美学特征之一,然而对称性破缺又难以避免.本文以工程中常见的易损结构—悬索为例,探究当该系统遭遇非对称性损伤时,对称性破缺对其面内耦合振动特性影响.首先建立受损悬索面内非线性动力学模型,并采用Galerkin法得到离散的无穷维微分方程.利用多尺度法计算该非线性系统发生面内耦合共振响应的调谐方程.截取前9阶模态,利用数值计算方法得到无损和受损悬索的各类共振曲线及其稳定性,通过计算最大李雅普诺夫指数来确定系统的混沌运动.研究结果表明:已有研究常采用抛物线模拟悬索静态构形,然而一旦发生不对称损伤,采用分段函数更能准确描述悬索受损后的静态构形;对称性破缺会导致悬索固有频率之间的交点变为转向点,其正、反对称模态均变为非对称模态;受损后悬索的非线性相互作用系数会发生显著改变,其内共振响应会产生明显变化;当激励直接作用在高阶模态时,无损系统会呈现出单模态解和内共振解,而受损系统并没有呈现出明显的单模态解;受损系统的分岔和混沌特性会发生改变,系统将通过倍周期分岔产生混沌运动.