热环境下功能梯度材料转子动力学分析

发布时间：2020-04-17 23:11

【摘要】：功能梯度材料自提出以来已广泛应用于各个领域,其具有材料属性可设计性,结构动力学可调节性以及结构热力学可优化性等特点。基于这一特性,本文以航空发动机中转子为工程对象,以均匀材料及功能梯度材料Timoshenko旋转梁为力学模型,针对温度梯度分布下静止状态的发动机转子热力学特性,以及均匀温度场下旋转状态的转子动力学特性问题进行了研究。首先,针对静止状态下均匀材料及功能梯度材料转子受热不均匀问题,使用有限元软件Abaqus中的单向耦合方法,对转子的热变形、热应力及热模态进行仿真分析。研究结果表明Ti-6Al-4V材料与Zr O2材料相比热传递时间长而热变形小;材料梯度指数越小,转子的热变形越小,热传递时间越短,结构的固有频率越小。然后,以Timoshenko梁理论为基础,利用拉格朗日方程,建立了在常温环境下均匀材料及功能梯度材料旋转梁的动力学方程,使用Chebyshev多项式及Gauss-Lobatto采样点对其动力学方程进行离散,然后通过投影矩阵法处理各类边界条件从而获得涡动频率数值解;结果表明对于悬臂边界,存在最优材料梯度值使得前三阶涡动频率最大。最后,先建立了热环境下Timoshenko梁静止状态的系统动力学方程,求得热环境下考虑热应力的固有频率数值解,通过与Abaqus有限元软件中计算结果相对比,验证了该方法求解热环境下结构固有频率的正确性;然后使用同样的方法,建立了热环境下均匀材料及功能梯度材料Timoshenko旋转梁的动力学方程,并针对不同边界条件、温度场、材料梯度指数及旋转速度对涡动频率及临界转速的影响进行了分析;研究结果表明,对于温度场的影响,其热应力不能忽略,在热屈曲温度内,随着温度升高,结构频率下降;随着弹性支撑刚度的增大,涡动频率存在敏感区间,在敏感区间内,涡动频率变化很大;在悬臂边界下,存在最优材料梯度指数使前三阶涡动频率最大,且存在最优梯度指数使临界转速最大;在热屈曲温度场内,随转速的增大,涡动频率的“分叉”程度增大。本文,通过上述对比结果可知,功能梯度材料在转子力学分析中,可以优化转子热变形等热力学特性以及涡动频率等动力学特性。
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航空发动机,结构示意图,旋转结构,系统工业

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 1 章绪论的目的和意义世纪以来，旋转结构大量出现并被广泛地应用于航空、航纵轴旋转的结构大量应用于航空推进系统，电力传输系统工业中的一些机械设备，如蒸汽机和工业机器、燃气涡轮，还有一些用于镗铣操作的切削工具、太空中轴向旋转稳看作旋转结构[1]。

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图 1-2 金属与陶瓷组成的 FGM 示意图度梁研究现状梯度梁的研究，，功能梯度材料可以按所设计的方向进度方向或轴向变化），其中材料属性梯度变化规律最型。在对材料属性沿厚度方向变化的功能梯度梁动力用微分求积法，建立了功能梯度 Euler-Bernoulli 梁的速度对功能梯度梁横向振动特性以及失稳形式的影响-Ritz 法，建立了沿厚度方向梯度变化的功能梯度材料i 梁动力学方程，在不同边界条件下，同时分别分析对两种梁模型固有频率的影响；属性沿轴向梯度变化的功能梯度材料，Shahba 等[29][3化单元法(differential transform element method, DTEM度 Euler-Bernoulli 和 Timoshenko 梁的动力学方程，振动以及轴向稳定性进行了研究，分析了不同材料梯固有频率以及轴向临界屈曲载荷的影响。赵阳、黄意
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231.96

【参考文献】