失谐叶盘结构的建模方法与振动特性研究

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叶盘结构是现代航空发动机重要的功能转换部件，由于受到加工制造误差、材质性质差异、使用磨损不均匀以及人为错频设计等因素的影响，各叶盘扇区之间会有一定的差别，这种差别称为“失谐”。理论分析与实验结果均表明，失谐会导致叶盘结构的振动局部化，使得结构中过早地出现高周疲劳失效，严重地制约了发动机的结构完整性和工作可靠性。美国颁布的《发动机结构完整性大纲MIL-STD-1783》已经明确地将结构失谐题目确定为叶盘构件振动的关键题目之一。针对现有研究的不足，本文从建模和振动特性两方面对发动机叶盘结构的失谐题目开展了研究。从典型的工程叶盘出发，对失谐叶盘结构的高保真模拟及减缩方法、结构的固有模态局部化特性、稳态响应局部化特性以及瞬态响应的求解方法等开展了较为系统、深入的研究，并对失谐结构的振动设计、分析方法和评价准则进行了初步的探索。提出了工程失谐叶盘结构的高保真有限元模拟及减缩方法。首先分别针对叶片的材料参数失谐和几何参数失谐，给出了相应的有限元模拟方法，特别是针对工程中实际采用的错频装配手段，通过改变叶片型面坐标的方式进行模拟，同时考虑了成型误差等带来的小量随机失谐的影响。而后基于ANSYS平台，结合子结构模态综合法给出了有限元模型的减缩方法及其流程，使其适用于各种确定性和随机题目的分析，有效地解决了由于周期对称性丧失而导致的题目规模巨大以及程序运行困难等题目，为失谐叶盘结构动态特性的研究提供了有效的基础。对典型工程叶盘结构的模态局部化开展了研究。首先基于模态局部化的基本特性和物理含义，提出了三种模态振型局部化程度的定量描述方法，然后通过确定性和统计分析的方法，讨论了人为失谐结构的模态振型局部化特性以及随机失谐和错频叶盘结构的概率模态局部化特性。研究结果表明，以叶片振动为主的模态对失谐最为敏感，特别是在各族模态交界处，振动能量在各扇区间分布得比较均匀，结构系统中易于出现较强的局部化现象。对典型工程叶盘结构的稳态响应局部化进行了研究。定义了响应放大因子作为振动响应局部化的评价指标，通过确定性和统计分析的方法，对人为失谐结构的响应局部化特性及随机失谐和错频结构的概率响应局部化特性进行了较为深入的研究。研究结果表明，当失谐程度由小增大时，叶片上的最大响应一般会随之先增加后降低，显示出所谓的“阈值效应”，而引入适当的人为失谐能够有效地抑制随机失谐结构的振动响应放大。提出了一种基于模型双重减缩和精细积分的失谐叶盘结构时域响应分析方法。分别在物理域和模态域对系统运动方程的规模进行减缩，再通过精细积分方法求解系统的瞬态响应。通过分别对简化和工程叶盘结构的算例进行验证，这种方法不仅降低了题目的规模，而且能够摆脱计算结果对时间步长的依赖，在保证计算精度的前提下，大幅提高了计算效率。提出了一种失谐叶盘结构的实验－有限元混合建模技术。以某型叶盘为对象，建立了结构模态测试的实验方案与实验系统，根据实测的叶片固有频率，通过改变叶片几何参数的手段对结构有限元模型的几何参数进行修正，使其成为实际结构的最佳描述，为开展计算机仿真实验提供较为精确的计算基础。通过对名义谐调结构和两种不同失谐模式的人为失谐结构的实验研究，证实了这种混合建模技术的准确性与实用性。在现有的计算方法和计算结果的基础上，对失谐叶盘结构振动题目的分析、设计与评价方法进行了探讨。从失谐结构振动的特殊现象出发，分析了题目的实质，从结构振动的角度有针对性地提出了设计准则，给出了相应的设计方法与设计流程，最后讨论了评价标准，对失谐叶盘结构的振动设计题目进行了初步的探索。

失谐叶盘结构的建模方法与振动特性研究

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