涡轮叶片干摩擦阻尼器动力学特性及减振特性研究

发布时间：2020-09-22 12:49

　　叶片是航空发动机的关键部件,由于其工作环境的复杂性、严峻性,叶片振动故障时有发生。研究叶片的振动特性、排除叶片的振动故障、抑制叶片的振动以提高其工作安全性是航空发动机技术的关键环节。给叶片附加干摩擦阻尼器是一种有效的减小叶片振动的方法,深入研究干摩擦接触特性、涡轮叶片干摩擦阻尼器振动特性及其减振设计技术,将叶片的振动应力水平降低到允许的范围之内,具有重要的理论意义和工程应用价值。本文通过理论推导、数学建模、数值模拟和实验,研究了带干摩擦阻尼器叶片系统的动力学特性和相关非线性特性。主要研究内容及结论如下:(1)用移动载荷来模拟接触面间的正压力和摩擦力,建立了更加精确的模型来模拟阻尼器和缘板之间的相对运动。采用有限元法和模态叠加法来求解叶片缘板阻尼器系统的动态响应,提出了求解带有非光滑摩擦接触的缘板阻尼器系统稳态响应的数值方法。给出了用Matlab实现数值计算的流程图,并且运用所建模型对叶片缘板和阻尼器之间的三种不同振动状态和阻尼器的减振效果进行了研究。数值模拟结果表明:随着正压力的增加,阻尼器从完全滑动状态变为粘滑状态,最后当正压力很大时变为完全粘滞状态。当正压力很大时,阻尼器与叶片缘板组成一个新系统。存在最优正压力使减振效果最好,且最优正压力存在于粘滑运动阶段。最优正压力随着外激励幅值的增加而增加。(2)考虑离心刚化效应及相邻叶冠间的碰撞和摩擦,建立了成组带冠叶片的集中质量模型。推导了不同运动状态下成组带冠叶片的运动方程,确定了相邻叶冠间粘滞-滑动-分离的边界条件。应用这个模型研究了刚度比、旋转速度和气流激振力幅值对振动响应的影响以及刚度比、初始间隙和接触角对减振效果的影响。定义了一个标准化的能量密度作为减振效果的量度。结果表明:随着刚度比的变化,参考叶片可以经历周期1,周期3,周期5,周期9和混沌运动。随着旋转速度的增加,参考叶片会出现周期1,周期3和准周期运动。随着激振力幅值的增加,参考叶片的运动先从周期1运动变化到周期3运动,然后再转化到准周期运动,最后转变到周期3运动。当初始间隙相对较大时,刚度比对能量密度的影响很大,但当初始间隙小于等于某一值时,刚度比对能量密度几乎没有影响。当刚度比小于某一值时,叶冠之间才会出现接触碰摩,能量密度随着初始间隙的增加而增加,即初始间隙越小,减振效果越好。随着接触角的增加,能量密度先减小后增加,存在最优接触角使减振效果最佳。(3)采用更符合实际的线性弹簧和立方非线性弹簧来描述冠间接触刚度,采用适用于固体表面之间干摩擦接触状态下的一个指数型的动态摩擦模型来模拟摩擦力,考虑离心刚化效应的影响,建立了考虑非线性弹簧和碰摩复合作用的自带冠叶片二维弹簧质量模型并推导了其运动方程,研究了叶冠间隙和非线性刚度比以及气流激振力对自带冠叶片振动特性的影响。结果表明:自带冠叶片在不同的非线性刚度比和间隙比下会出现周期1,周期2,周期3和混沌运动。对称间隙下,随着间隙或者不同的气流激振力的变化,自带冠叶片会出现周期1,周期3和混沌运动。自带冠叶片出现周期p(p=1,2,3,4)运动的原因是存在一个碰摩周期是激振力周期的p倍。间隙不对称会导致自带冠叶片的振动特性更加复杂。混动运动出现在被一定范围的p周期运动分离开的特定的参数范围。(4)提出了一种分析二维耦合平面摩擦的方法。介绍了用来确定动静摩擦力向量分量的摩擦力方位角的概念,给出了二维耦合平面摩擦下阻尼器粘滑运动的边界条件。结果表明,二维耦合干摩擦振子确实存在粘滑运动。在x方向和y方向的激励频率和相位角均不相同时,振子的振动特性会更加复杂。(5)对附加缘板和叶冠干摩擦阻尼器的平板叶片的振动及减振特性分别进行了实验研究,并将所得实验结论与数值仿真结果进行了比较。实验结果表明:随着正压力的增加缘板阻尼器由从完全滑动状态变为粘滑状态,最后当正压力很大时变为完全粘滞状态,这与数值模拟的结果是一致的;随着激振力幅值变化,带冠叶片的叶尖响应有激振频率高次谐波和一些分数次谐波出现,且有分岔现象出现。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V232.4
【部分图文】：

模型图,库仑摩擦,模型,力学模型

[45]在1931年就提出了理想干摩擦模型，即Coulomb摩擦模型。库仑摩擦模型及其力学模型如图1-7所示。f(v)mN-mNv图 1-7 库仑摩擦模型(左)及其力学模型(右)

模型图,模型,物体,预位移

sc s c( ) ( )evf v f f f - ，sv 是Stribeck速度，和都是经验常数。Stri负斜率摩擦现象，可以很好的描述了低速下的摩(状态转换模型)985年提出了一种状态转换模型来研究粘滑摩好地仿真相对速度为零时的摩擦特性，并且可以态方程间的切换问题。型中发现，在静止物体开始滑动的过程中，当切个极小预位移从而达到新的静止位置，物体开位移具有弹性，即摩擦力消除后物体沿反向移动移量即预滑动位移或Dahl效应。Dahl模型如图1-8

双线性,迟滞模型,本构关系,稳态

ⅱ) 双线性滞迟模型由于库仑摩擦模型认为接触面间的滑动是突然发生的，这与工程实际不相吻合，因此Iwan[49]在1961年提出了双线性滞迟模型，该模型及其本构关系如图1-9、图1-10所示。

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