基于模态族减缩和代理模型的失谐叶盘动态特性快速分析评价方法

发布时间：2020-05-12 10:44

【摘要】：叶片-轮盘结构是航空发动机关键部件之一,其质量直接影响发动机整机的性能和可靠性。由于加工误差、使用中的不均匀磨损、材料分散性、抑制颤振引入的错频等因素,叶盘各扇区间必然产生微小的差别,称之为“失谐”。失谐导致叶盘各扇区能量分布不均,造成严重的振动局部化问题,是导致叶片高周疲劳的主要原因之一。因此,对失谐叶盘动态特性的研究尤为重要。本文通过改变叶片刚度和杨氏模量间接模拟叶盘的频率失谐,并将基于模态族的减缩模型和代理模型技术应用于频率失谐叶盘的模态特性和响应特性的研究中,以某钛合金压气机叶片-轮盘结构和集中参数叶盘结构为例,验证了动态特性快速分析方法的有效性。首先,本文将频率失谐引入集中参数模型和有限元模型,实现了刚度随机失谐二自由度扇区集中参数模型和材料随机失谐有限元APDL参数化模型的建模。其次,本文对叶盘的失谐机理进行深入探讨,阐述了表征叶盘振动模态局部化程度的模态局部化因子和表征叶盘振动响应局部化程度的幅值放大因子的构建方法。随后基于振型节径谱和模态族的概念对比分析了谐调、失谐叶盘的模态特性和响应特性。为提高失谐叶盘动态特性分析的效率,本文利用谐调叶盘的模态信息,给出一种求解失谐叶盘模态和谐响应的减缩方法,研究了模态族的数量和完整度对减缩模型精度的影响。使用减缩方法的分析效率比使用完整模型提高了80%以上。通过该减缩方法对不同失谐强度下的100组样本的模态局部化因子和幅值放大因子进行研究,结果表明叶片模态族和频率转向区的模态振型对叶片失谐更敏感,容易出现较强的局部化问题,幅值放大因子在不同失谐强度下产生“阈值”效应。同时,为抑制随机失谐,本文引入两种人为失谐形式,并探究其振动抑制效果。“失谐”具有不确定性,为研究失谐叶盘结构的统计学特性,需抽取大量样本,当样本数量过大时,减缩方法依然耗时较多。因此,本文提出用代理模型代替有限元和减缩方法的分析过程,以单扇区和多扇区叶片刚度失谐集中参数模型为例,计算失谐叶盘的幅值放大因子,结果表明幅值放大因子呈现出强烈的非线性,EI-Kriging模型的预测精度比二次响应面模型的预测精度高,更适合解决这类强非线性问题。最后,本文针对EI-Kriging模型加点效率低的问题对最大期望提高准则进行改进,给出一种多点加点EI准则,依据多点加点准则在一次迭代过程中增加多个空间无关的新样本点,该加点策略使得整个过程的计算效率提高了28%。
【图文】：

对失谐的模拟还分为确定性失谐和随机失谐。确定性失谐讨论了失谐下的振动局部化规律。然而，考虑到叶片失谐实际上是随机的，因立了各种模型研究随机失谐叶盘的概率振动特性，分析不同分布的参数率、模态振型和振动响应的影响[10, 11]。.2 失谐叶盘振动局部化现象概述某些情况下，叶盘振动能量被集中在少部分叶片上，产生振动局部化现局部化可以细分为两个方面：模态局部化（Modal Localization）[12, 13]和局部化（Vibration Transmission Localization）[14]。模态局部化产生模态振和模态频率转向两种物理现象。失谐后，叶盘系统模态振型的“广延”，前后对比如图 1.1 所示。此时，少数扇区的振幅大大增加，从而将模态部化”在少量的扇区上。振动传递局部化主要表述的是叶盘输入的能量叶盘上的激励）被限制在局部区域，从而导致结构失效[15]。失谐周期结局部化问题近几十年来广受关注，国际著名学术期刊《Applied Mechviews》和《Chaos Solitons & Fractals》对有关研究的典型成果做了专题报道[1

① 集中参数模型集中参数模型采用集中质量模拟叶片和轮盘的质量，采用弹簧来模拟叶片刚度、轮盘刚度和耦合刚度，如图1.2所示。图1.2（a）（b）分别为单自由度扇区和二自由度扇区集中参数模型。集中参数模型规模小，求解时间短，可以应用于设计初期阶段。且该类模型可以进行解析求解，能很好地反映谐调和失谐叶盘低阶动态特性，因而广泛应用于失谐叶盘的机理研究，并取得良好的效果[19]。除此之外，集中参数模型在“失谐”的表征方面优势明显，可以直接改变系统矩阵的数值来模拟叶盘质量、刚度和阻尼失谐。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231.9

【参考文献】

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1 白斌;白广忱;童晓晨;许U，

本文编号：2660090