航空发动机叶片轮盘系统振动特性及多场耦合力学特性研究

【类型】学位论文

【作者】张亮 

【关键词】 流,叶盘系统 失谐 固定界面预应力,结构多场耦合 Kriging模型 假设弹性体法,自由界面子结构模态综合超单元法 微动滑移 智能优化算法 热

【摘要】航空发动机作为飞机的心脏,承受高温、高压、高转速的载荷。长期以来,其工作可靠性和结构完整性问题一直是制约高性能发动机发展的主要瓶颈,核心问题之一便是高速旋转的叶片轮盘系统振动及强度问题。叶片轮盘系统是指采用榫头与榫槽连接的压气机或涡轮的叶片与轮盘组合结构。叶片轮盘系统是航空发动机的重要部分,是发动机的关键转动部件之一。其设计的好坏直接关系到发动机性能的优劣和使用的安全。在实际中,由于叶片破坏造成发动机失效的例子屡见不鲜。因此在发动机叶片的设计中,对叶片的强度设计问题必须予以足够的重视。随着现代航空发动机推重比的不断提高,轮盘的应力水平大幅提高,轮盘榫槽是轮盘最为薄弱的部位之一,裂纹是一种常见多发性故障,低循环疲劳失效多发生在轮盘榫槽应力集中较为严重的部位,轮盘的破裂碎片打穿发动机机匣后可能切断油路或操纵系统,也可能穿透油箱,对飞机的安全造成严重威胁。此外,大量研究表明,发动机的重大事故都与叶片振动的高周疲劳有关,而叶片轮盘的耦合振动已经成为诱发叶片产生高周疲劳的重要原因。因此,本文研究航空发动机叶片轮盘系统振动特性及多场耦合力学特性对增强航空发动机的结构完整性和工作可靠性起着至关重要的作用。本文以航空发动机压气机单级叶盘系统为研究对象,首先提出了固定界面预应力-自由界面子结构模态综合超单元法。基于该方法研究了协调、失谐叶盘系统的振动特性及考虑叶-盘榫接触的协调、失谐叶盘系统在静叶尾流激励下的动态响应特性。其次,采用叶盘扇区3自由度集中参数模型基于微动滑移摩擦理论分析了带叶根摩擦阻尼器协调、失谐叶盘系统在静叶尾流激励下的动态响应特性。再次,采用叶盘扇区2自由度集中参数模型,以系统减振为优化目标,分别基于改进遗传算法、蚁群算法对叶盘系统的失谐叶片的排布顺序进行了优化研究。最后,采用有限体积法进行了叶片流道的气动传热分析、有限元法进行了叶盘系统的结构分析,基于Kriging模型实现了耦合界面载荷数据信息的传递、基于假设弹性体法实现了叶片流道流场网格的更新。’通过交替迭代间接耦合实现了叶盘系统热-流-结构多场耦合作用下的力学特性分析。具体而言,本文完成工作如下：(1)针对有预应力子结构模态综合法先对整体结构进行预应力分析后再进行子结构分析计算量大的不足,提出了固定界面预应力-自由界面子结构模态综合超单元法。以Matlab GUI为平台,将Matlab、Ansys软件相结合,基于该方法开发了叶盘系统振动及动力学特性分析软件。以此软件为平台,研究了协调、失谐叶盘系统的振动特性及考虑叶片榫头与轮盘榫槽接触的协调、失谐叶盘系统在前级静叶尾流激励下的动态响应。对比分析了叶盘接触形式对叶片、叶盘系统振动及动力学特性的影响。(2)针对目前多数采用宏滑移模型分析含有干摩擦阻尼的失谐叶-盘系统的受迫响应,少数采用微滑移模型分析了叶根非线性干摩擦对一或几个叶片的影响,而对整周失谐叶盘系统影响的研究还比较少。本文基于微动滑移摩擦理论,采用单个叶盘扇区3自由度整周叶盘系统集中参数模型,运用谐波平衡法迭代求解,研究了带有叶根摩擦阻尼器的协调、失谐叶盘系统在静叶尾流激励下的动态响应特性。对比分析了有无叶根摩擦阻尼器对叶盘系统振动局部化程度及动力学特性的影响。(3)将智能优化算法引入到叶盘系统失谐叶片的减振排布优化中,并提出了两种叶盘系统减振优化目标函数,采用单个叶盘基本扇区2自由度整周叶盘系统集中参数模型,分别基于蚁群算法及改进遗传算法对叶盘系统失谐叶片的排布顺序进行了减振优化。并与顺序排布、随机排布结果对比,验证了本文方法有效性。(4)采用有限体积法进行了叶片流道流场的气动传热分析、有限元法进行了叶盘系统的结构分析。针对现有耦合界面载荷数据信息传递方法的不足,提出了基于Kriging模型的耦合界面载荷数据信息的传递方法,实现了叶片流道流场气动、温度载荷向叶盘系统结构场及叶片结构变形向叶片流道流场的高精度传递。针对航空发动机叶片受载变形的特点,将有限元法引入到叶片流道流场网格更新中,提出了基于假设弹性体法叶片流道流场网格更新策略,实现了叶片流道流场网格的高质量更新。以Matlab GUI为平台,通过Matlab与Fluent、Ansys软件相结合,采用交替迭代间接耦合实现了叶盘系统热-流-结构多场耦合力学特性分析软件的集成。以某压气机叶片轮盘系统为例,对比分析了其在多种载荷作用下、多场耦合作用下的力学特性及气动特性,并验证了软件的可靠性与准确性。

【学位名称】博士

【学位授予单位】东北大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】袁惠群

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