航空发动机安装系统动力学设计技术研究

航空发动机安装系统具备传递发动机推力和隔离发动机振动的作用,为典型的空间六自由度隔振系统,难以直接采用单自由度隔振理论进行设计。针对这一问题,基于发动机惯量与安装系统弹性参数优化匹配的振动解耦理论,提出了发动机安装系统的动力学设计方法,开展了典型涡桨发动机全尺寸安装系统的六自由度隔振设计,并对发动机安装系统中多个隔振点的三向刚度参数进行了优化配置,为隔振器的结构设计提供了参数输入。进一步利用ADAMS对所设计的发动机安装系统进行了多体动力学分析,结果表明:发动机安装系统各方向的振动解耦率获得了理想效果,各方向可视为独立振动,从而可采用单自由度隔振理论进行设计,且各阶模态频率均很好地满足了隔振要求,验证了设计方法的有效性。

涡轮发动机叶片阻尼结构减少能耗设计研究

为了使涡轮发动机叶片缘板阻尼结构能起到预期的耗能减振作用,就必须在设计时对各个耗能作用机制有深入了解。鉴于叶片阻尼结构非线性接触因素的存在,在时域内进行接触实时响应分析对计算机能力、耗时和计算的收敛性都带来了巨大挑战。首先在频域内通过理论分析和有限元分析两种方法研究了含非线性接触结构的振动响应分析方法,并基于此方法对某涡轮叶片缘板阻尼结构进行了阻尼效果分析,并对干摩擦阻尼、附加质量和附加刚度三种耗能机制开展了进一步的探索。研究发现叶片阻尼结构除了接触面间的干摩擦耗能外,附加质量和附加刚度也对其产生了明显的耗能作用。且摩擦系数和密度较小时,阻尼效果对其变化较为敏感;阻尼效果与阻尼结构刚度成正比。因此,在阻尼装置结构体积一定的情况下,设计阻尼结构要在保证刚度的基础上,权衡考虑最优密度值和最优摩擦系数,使阻尼效果最好。

涡桨发动机安装系统动力学设计方法

针对涡桨发动机安装问题,提出一种动力学设计方法,实现了发动机隔振器的刚度优选。首先,推导了考虑耦合前后的振动传递率及发动机低频位移的计算公式。然后,利用提出的方法优选了一组五点安装隔振器的刚度并进行评估计算。结果表明:发动机安装系统满足主要激励频率的隔振要求,侧向和垂向获得了独立振动,其他方向的振动解耦率达93%以上,振动传递率计算中应特别考虑耦合对较小激励方向的影响。

感应加热线圈参数对发动机叶片温度场的影响

为了研究感应器线圈参数对发动机叶片温度场分布的影响,基于有限元方法建立了三维电磁热感应加热分析模型,开展了线圈形状、线圏截面几何和线圈加热距离等参数对叶片温度场影响的数值研究。结果表明：随形感应加热线圈相比于环形线圈,加热效率更高,最大温度升高,且高温区在叶片中部分布更均匀;对于相同截面积的空心感应线圈,圆形截面感应线圈的加热温度小于矩形截面的线圈;感应线圏与叶片的加热距离直接影响叶片温度,随着加热距离的增大,加热效率降低,叶片整体温度减小。

航空发动机转静子系统碰摩特性影响因素分析

基于谐波平衡法,通过隐式-显式相结合的分析方法,分别从理论分析和有限元分析角度对转子-盘片-机匣耦合系统进行碰摩过程数值模拟和响应特征研究,并就影响碰摩响应的因素作了进一步分析,包括转静子间不同间隙、不同刚度比以及不同转速。得出的结论和所提出的研究方法有助于进一步深入认识叶片-机匣碰摩的物理现象及原理,并给工程中碰摩现象的故障诊断提供一定的参考。

旋转叶片干摩擦阻尼结构减振试验研究综述

研究航空发动机旋转叶片的振动特性及其振动抑制技术,对提高发动机的性能、结构完整性、工作可靠性具有重要意义。从旋转叶片干摩擦阻尼结构的减振试验装置、试验激励方法和动态特性测试等方面对旋转叶片干摩擦阻尼结构的减振试验进行了较为详细的综述,将旋转叶片干摩擦阻尼结构的减振试验分为非旋转试验和旋转试验两类,结合叶片干摩擦阻尼结构减振特性试验的研究现状,提出应在以下方面进行研究:在不旋转条件下,建立随叶片榫头结构、相邻叶片夹角变化的试验装置模型库;探索多叶片阻尼结构的高频激励耦合加载方法和振动响应测试方法;在旋转条件下,研究更符合开车环境的激励方式,发展使用应变片和传感器的高分辨率的振动响应测试方法。

旋转叶片干摩擦阻尼结构模型及分析方法研究综述

旋转叶片是航空发动机的关键部件,其振动特性及振动抑制技术对发动机的性能和结构完整性、工作可靠性产生重要的影响,在各类叶片振动抑制方法中,干摩擦阻尼结构应用最为广泛。首先,详细地阐述了旋转叶片干摩擦阻尼器动力学建模及其发展现状;然后,介绍了旋转叶片干摩擦阻尼结构减振特性分析方法及其发展现状,最后,提出了基于不同结构形式的叶片-地(B-G)型和叶片-叶片(B-B)型、基于接触面相互作用的干摩擦阻尼数学模型、基于接触点描述的干摩擦阻尼接触模型以及根据相对运动关系形成的干摩擦接触运动模型,以期为旋转叶片减振结构的建模设计、提高可靠性和效率、减振延寿等方面提供理论和技术支持。

基于扫描式激光多普勒测振仪的叶片工作变形研究

目的保证叶片结构的完整性。方法采用结构工作变形分析理论,借助扫描式激光多普勒测振仪多点、非接触、高精度测量的优点,搭建了一套发动机叶片工作变形分析试验系统。通过振动台对叶片施加快速正弦扫频的基础激励,用测振仪测量叶片表面55个测点的速度响应,然后用工作变形分析方法得到该叶片的前6阶固有频率和振型,用模态置信准则评估上述6阶振型之间的相关性。结果该叶片振型由低阶到高阶依次是一阶弯曲、两种不同节线的一阶扭转、二阶弯曲、二阶扭转、弯扭耦合,不同阶次振型的MAC值都小于或等于0.2。结论不同模态振型之间的相关性很低,证明了工作变形分析结果的正确性。

两种橡胶型发动机隔振器动力特性试验研究

对两种苯基硅橡胶材料的航空发动机隔振器的动力特性参数进行了试验研究。建立了试验测试方法的理论模型,分析了工程近似公式在计算隔振器动力特性参数时的误差,并给出了精确计算公式和迭代求解算法。用振动台扫频试验测得了两种隔振器系统常温下三个轴向的动刚度和阻尼比,以及两种隔振器在不同环境温度下X方向的动刚度和阻尼比。试验结果表明,常温下两种隔振器X方向的动刚度都远大于Y、Z方向的动刚度;随着环境温度的升高,两种隔振器X方向的动刚度都逐渐减小;加入阻尼助剂的改进型隔振器的动刚度和阻尼比都大于普通型隔振器。

涡轮叶片高低周复合振动响应分析

为了揭示高低周载荷相互作用机制对叶片失效机理的影响,采用显式动力学分析方法,从时域角度出发,对涡轮叶片模拟件进行高低周复合载荷下的振动响应实时模拟,研究了高低周载荷的相互作用机制及接触区域的响应特征。并就高低周频率比、载荷大小等参数对叶片振动响应的影响作了进一步分析,获得了不同工况下应力应变响应曲线和不同参数影响下的变化规律,其结果可为涡轮叶片疲劳寿命预测提供输入。所采用的分析方法和得出的结论可为发动机涡轮叶片振动疲劳考核验证试验载荷谱的制定和结构的优化设计提供一定的参考。

高温高低周复合载荷试验加载技术

为了获取航空发动机涡轮转子叶片的疲劳寿命,通过电磁感应加热、高低周复合载荷协调加载控制方法实现正交载荷解耦联合加载,研究了转子叶片在高温环境、低周离心载荷和高周振动载荷耦合响应,并基于涡轮叶片模拟试验件,对上述技术进行了验证。结果表明,该试验技术具备可行性和正确性。可见该技术可以实现航空发动机结构部件的多场耦合复杂载荷强度试验加载。

旋转离心应力对叶片鸟撞响应的影响

为避免航空发动机叶片在高速旋转工作状态时经常会发生外物损伤造成的严重事故,基于冲击动力学理论,建立了离心预应力作用下叶片外物撞击的非线性动力学模型,利用碰撞动力分析软件PAM-CRASH及其丰富的材料本构模型数据库,建立了旋转叶片受鸟体撞击的有限元分析模型,并在其环境下通过隐式静力求解来进行旋转状态下叶片的预应力分析,对不同离心栽荷下叶片鸟撞击进行数值模拟比较。结果表明,离心应力对叶片的瞬态响应及损伤特征有较大的影响,并获得了不同离心预载作用下外物损伤的一些规律。

接触摩擦力对叶片减振能力的影响

在频域内利用谐波平衡法,分别通过理论分析和有限元分析方法对某涡轮叶片缘板-阻尼结构进行了减振效果分析,并就接触摩擦力对叶片减振能力的影响进行了进一步探索。研究发现带阻尼装置叶片由于阻尼块附加质量作用,对叶片有明显的避振作用,并也起到了一定的减振作用,但对叶片振动响应耗能影响最大的是叶片缘板-阻尼装置接触面的非线性摩擦力,且摩擦系数较小时叶片减振效果对其变化更敏感一些。另外从分析方法探索中发现,含接触等非线性问题的结构,忽略接触特性进行振动响应分析具有较大的偏差性。这些研究结论和研究方法可为阻尼结构的设计提供一定的参考。

两种声衬阻抗提取方法的对比

航空发动机短舱声衬是发动机最重要的降噪装置,为建立精确、关联声衬结构和声学性能的阻抗模型,需要精细化分析声衬声阻抗提取技术。对比分析了2种声衬阻抗提取技术(当地阻抗提取方法和直接提取方法)的差异。应用同一个流管声学试验平台制造偏差可控的声衬试验件,并进一步通过阻抗测量的重复性试验,保证了两种阻抗提取方法对比的基础。应用两种阻抗测量方法分别提取了单自由度声衬和双自由度声衬的声阻抗。结果表明:2种阻抗提取方法测量结果在中、高频段内相互吻合,在低频范围内存在显著差异。对比分析可见:相比于直接提取方法,当地阻抗提取方法适用的频率范围更宽,能够反映声衬的局域声阻抗特性,对声衬的尺度限制小,但需要破坏声衬的物理结构,且适用于传统声衬结构;相比于当地阻抗提取方法,直接提取方法测量了声衬的整体阻抗特性,在中、高频段内能够获得精确的阻抗结果,不需要破坏声衬的物理结构,而更为广泛地适用于板型吸声材料。

基于振动台基础激励的叶片工作模态分析

对发动机叶片进行模态分析可以为其高周疲劳设计提供数据支撑,有效避免叶片在实际工作中的共振。本文基于工作模态分析理论,搭建叶片工作模态分析试验系统。采用振动台对叶片进行基础激励,同时测量叶片表面的振动响应,计算测点与参考点之间的互功率谱,然后用最小二乘复频域法进行拟合,得到叶片的模态参数(包括固有频率、振型和阻尼比)。最后讨论了不同参考点对工作模态结果的影响,给出了参考点选取的合理建议。