航空发动机局部刚度非线性转子系统动力响应研究

【类型】学位论文

【作者】何天元 

【关键词】 航空发动机 滚珠轴承 非线性 转子动力学 不平衡响应

【摘要】随着现代航空发动机对高性能、高推重比（功重比）指标的追求，整机振动问题日渐突出，而转子系统的不平衡激励是造成航空发动机整机振动大的重要原因之一。转子系统存在一定的不平衡量是不可避免的，且在工作过程中不平衡量还会逐渐增大，使得滚动轴承产生较大变形而出现支承刚度非线性，从而使得转子系统振动响应的非线性特征日益突出，进而导致整机振动的增大。因此，必须针对航空发动机局部刚度非线性转子系统动力响应的机理、特征和规律进行研究，为整机振动抑制设计提供理论支撑。 虽然目前对于航空发动机转子系统不平衡响应的研究和分析手段已经有了长足的进步，但是由于传统基于线性理论的设计方法不能准确反映发动机在极限工作状态下的振动特征，可能导致极限工作状态下的故障或者偏于安全设计的浪费。因此本文基于航空发动机转子系统结构，考虑轴承在大变形条件下刚度的非线性变化，建立了一种基于谐波平衡法的非线性系统求解方法，并研究了转子系统在支承刚度非线性条件下不平衡响应的规律，分析了航空发动机在复杂不平衡激励下的响应规律。主要研究内容如下： 使用基于Hertz弹性接触的静力学简化方法，编写可以广泛应用于角接触球轴承刚度计算的Matlab程序。得到了航空轴承支承刚度与径向载荷之间的数值关系，并绘制了刚度变化曲线。轴承刚度非线性的求解为后文支承刚度非线性响应的计算提供了依据。 基于谐波平衡法提出了一种转子系统不平衡响应的计算方法，该方法需要首先建立转子-支承系统的梁单元模型，之后使用从模型中提取出的质量、刚度、阻尼和陀螺矩阵进行求解计算。通过与Ansys计算结果以及美国NASA文献中计算结果对比，证明了本文谐波平衡法计算程序的正确性，为非线性响应的计算提供了有力的工具。 建立单转子和带有中介支点的双转子梁单元模型，使用前文所述的谐波平衡法计算程序，通过计算单、双转子系统在支承刚度非线性条件下的响应，得到了非线性响应的主要规律。 分析了航空发动机高、低压转子系统在复杂不平衡激励条件下的响应。发现复杂不平衡激励下的响应可以分解为几个简单响应的叠加。从而可以确定哪些工况下振动响应最大，进而可能使转子的振动响应出现前文所述的非线性特征。为避免发动机的振动响应出现非线性特征给出参考建议。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】北京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】马艳红

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