復(fù)雜耦合失諧葉片—輪盤(pán)系統(tǒng)振動(dòng)局部化問(wèn)題研究.pdf

1、葉片－輪盤(pán)系統(tǒng)是高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件。葉盤(pán)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，由于受到非定常壓力場(chǎng)及不平衡的激勵(lì)，會(huì)使葉片產(chǎn)生受迫振動(dòng)。葉片的受迫振動(dòng)響應(yīng)對(duì)葉片特性的非諧調(diào)微小變化非常敏感，葉片特性的這種微小變化常被稱(chēng)為失諧。失諧主要來(lái)自于葉片的加工誤差、運(yùn)行磨損等。葉片失諧能夠?qū)е氯~盤(pán)振動(dòng)能量局部化，并顯著增加葉片在共振區(qū)的振動(dòng)應(yīng)力，甚至使葉盤(pán)產(chǎn)生高周循環(huán)疲勞失效，造成災(zāi)難性后果。 本論文建立了失諧葉盤(pán)系統(tǒng)的質(zhì)量－彈簧模型和有限元模型，對(duì)

2、復(fù)雜耦合失諧葉片－輪盤(pán)系統(tǒng)的振動(dòng)局部化問(wèn)題進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。重點(diǎn)研究了失諧對(duì)葉盤(pán)系統(tǒng)固有特性與受迫振動(dòng)響應(yīng)特性影響的基本機(jī)理及分析方法，并總結(jié)了失諧對(duì)葉盤(pán)系統(tǒng)動(dòng)力特性影響的一般規(guī)律。 諧調(diào)葉盤(pán)系統(tǒng)為循環(huán)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，而失諧的存在破壞了這種循環(huán)對(duì)稱(chēng)性，并造成葉盤(pán)系統(tǒng)模態(tài)的局部化現(xiàn)象。本文利用葉片的最大振動(dòng)能量與其它葉片平均振動(dòng)能量之間的相互關(guān)系，定義了一個(gè)系統(tǒng)模態(tài)局部化參數(shù)，該參數(shù)能夠較為準(zhǔn)確地反映葉盤(pán)系統(tǒng)模態(tài)振型的能量集中程度。

3、利用所提出的模態(tài)局部化參數(shù)，研究了失諧對(duì)葉盤(pán)系統(tǒng)各階模態(tài)局部化程度的影響規(guī)律，并利用攝動(dòng)法對(duì)失諧所導(dǎo)致的模態(tài)局部化現(xiàn)象進(jìn)行了分析；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，失諧葉盤(pán)系統(tǒng)的某些中間階模態(tài)的局部化參數(shù)值在弱耦合區(qū)域的特定位置會(huì)產(chǎn)生奇異的突變現(xiàn)象，而這種突變現(xiàn)象是用攝動(dòng)法難以解釋的，并且可能會(huì)對(duì)失諧葉盤(pán)系統(tǒng)的振動(dòng)穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。這種系統(tǒng)模態(tài)局部化程度的突變現(xiàn)象是在以往研究文獻(xiàn)中還未發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。 針對(duì)葉盤(pán)系統(tǒng)的確定失諧和隨機(jī)失諧兩類(lèi)問(wèn)題，分別采

4、用了確定性和統(tǒng)計(jì)分析方法，在各種系統(tǒng)參數(shù)條件下，較為深入地研究了失諧對(duì)于葉盤(pán)系統(tǒng)受迫振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律。在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，特別地提出了對(duì)失諧葉盤(pán)系統(tǒng)的最大振動(dòng)響應(yīng)和平均振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比較的分析方法，利用該方法可對(duì)失諧葉盤(pán)系統(tǒng)振動(dòng)能量的集中程度進(jìn)行分析，從而更全面地認(rèn)識(shí)失諧葉盤(pán)系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的局部化特性。 攝動(dòng)法是分析失諧葉盤(pán)振動(dòng)響應(yīng)的重要方法，而不同的攝動(dòng)法對(duì)于葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)有著不同程度的依賴性。本文對(duì)三種常用攝動(dòng)法的構(gòu)造

5、特點(diǎn)及其適用性進(jìn)行了研究，總結(jié)了它們?cè)诜治鍪еC葉盤(pán)系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)時(shí)對(duì)于系統(tǒng)參數(shù)的適用條件；針對(duì)自適應(yīng)攝動(dòng)法在分析失諧葉盤(pán)系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)時(shí)，對(duì)于基系統(tǒng)模態(tài)的選擇難以控制的問(wèn)題，提出了一種模態(tài)自動(dòng)選擇法(ASMM)。該方法有效地克服了原自適應(yīng)攝動(dòng)法的不足，并能夠在保證求解精度的基礎(chǔ)上提高求解效率，尤其適用于做失諧葉盤(pán)系統(tǒng)振動(dòng)特性的統(tǒng)計(jì)分析。 針對(duì)現(xiàn)有方法難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)中度耦合失諧葉盤(pán)系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的難題，提出了一種可預(yù)測(cè)全耦合失諧葉盤(pán)系統(tǒng)受

6、迫振動(dòng)響應(yīng)的復(fù)合模型分析法(MCAM)。該方法利用部分失諧和全局失諧相結(jié)合的復(fù)合模型來(lái)預(yù)測(cè)失諧葉盤(pán)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，克服了單一模型系統(tǒng)不能對(duì)失諧葉盤(pán)系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的缺點(diǎn)。同時(shí)，提出了一種合理的誤差修正方法來(lái)進(jìn)一步提高求解精度。由于該誤差修正方法只需在共振區(qū)中應(yīng)用，從而能夠有效地提高統(tǒng)計(jì)分析的求解效率。針對(duì)葉盤(pán)系統(tǒng)中兩類(lèi)主要的非線性干摩擦阻尼形式，分別建立了具有葉片干摩擦阻尼和葉間干摩擦阻尼的失諧葉盤(pán)系統(tǒng)的非線性力學(xué)模型；提出了一

7、種可利用快速傅立葉變換技術(shù)的多諧波分析方法(MHM)；分別推導(dǎo)了具有這兩類(lèi)干摩擦阻尼形式的葉盤(pán)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的求解公式；在各種系統(tǒng)參數(shù)條件下，研究了干摩擦阻尼失諧葉盤(pán)系統(tǒng)的受迫振動(dòng)響應(yīng)特性；對(duì)具有干摩擦散亂失諧的葉盤(pán)系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究，分析總結(jié)了干摩擦散亂失諧對(duì)葉盤(pán)系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)特性的特殊影響規(guī)律。 建立了葉盤(pán)系統(tǒng)的有限元模型，探索性地研究了葉盤(pán)系統(tǒng)的頻率轉(zhuǎn)向與失諧敏感性的相互作用機(jī)理問(wèn)題。分析了葉盤(pán)系統(tǒng)頻率轉(zhuǎn)向現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及

8、其特點(diǎn)：利用本文提出的模態(tài)局部化參數(shù)，研究了頻率轉(zhuǎn)向區(qū)域內(nèi)葉盤(pán)系統(tǒng)的高密集模態(tài)對(duì)失諧的敏感性；分析了頻率轉(zhuǎn)向區(qū)域內(nèi)失諧葉盤(pán)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)局部化特性。研究表明：在頻率轉(zhuǎn)向區(qū)中，葉盤(pán)系統(tǒng)模態(tài)高度密集，從而更容易導(dǎo)致葉盤(pán)系統(tǒng)產(chǎn)生較強(qiáng)的模態(tài)振型和振動(dòng)響應(yīng)的局部化。 本文的研究結(jié)論，不僅在很大程度上完善和發(fā)展了研究失諧葉盤(pán)系統(tǒng)振動(dòng)局部化問(wèn)題的基礎(chǔ)理論，也為設(shè)計(jì)人員正確理解失諧葉盤(pán)系統(tǒng)的振動(dòng)機(jī)理及準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其振動(dòng)響應(yīng)提供了有效的方法和手段；并