航空发动机转子系统动力特性区间分析理论与方法研究

【类型】学位论文

【作者】陈萌 

【关键词】 航空发动机 转子系统动力特性 非确定性 区间分析 灵敏度

【摘要】随着先进航空发动机对高性能、高推重比指标的追求，整机振动问题越发突出，转子系统结构参数、装配工艺参数和动力学特征参数的非确定性是造成整机振动问题难以解决的重要原因之一。支承刚度、连接结构刚度、转子不平衡量等动力学特征参数直接影响转子系统动力特性，它们的概率分布或隶属函数难以确定，但其区间界限容易获得，传统的非确定性分析方法如概率方法、模糊方法应用受到限制。在统计信息不足以描述非确定参数的概率分布或隶属函数，仅能提供非确定参数的区间范围，而想获得结构响应的区间范围时，区间分析方法能够发挥其优点。因此，本文基于区间数学及转子动力学理论，将航空发动机转子系统非确定性动力学特征参数（支承刚度、连接结构刚度、转子不平衡量大小和相位）视为区间变量，首次将区间数学理论引入转子动力学领域，提出了转子系统动力特性分析的区间振动微分方程，开创性的系统建立了转子系统动力特性区间分析理论与方法。主要工作内容如下：在转子系统固有特性非确定性分析中，将区间数学引入振动微分方程的各矩阵中，结合转子系统力学特征，获得了状态空间中求解转子系统广义特征值问题的区间方程。采用摄动理论，建立了转子系统固有特性分析的区间摄动法。该方法求解简单，具有明确的物理意义，跟有限元法结合后可应用于复杂转子系统，并能够给出具有较高精度的转子系统固有频率区间。在转子系统稳态响应非确定性分析中，以确定性转子系统稳态响应的模态叠加算法为基础，将区间数学运算规则引入复频响应函数矩阵，提出了基于具有区间特征复频响应函数矩阵的转子稳态响应的区间分析理论与方法。为了提高计算精度，运用固有频率（特征值）区间对该方法进行了修正。将区间方法应用于双盘转子算例，通过与蒙特卡洛法计算结果的对比，验证了本文方法的准确性和有效性。在转子系统瞬态响应非确定性分析中，基于区间数学和一阶泰勒级数展开，提出了预测转子系统瞬态响应区间的区间泰勒展开法。从理论上给出了区间分析方法与概率分析方法结果区间的对比，通过算例验证了文中所建模型和求解方法的可行性和有效性。基于区间数学和转子动力学理论，提出了转子系统动力特性灵敏度分析的区间方法，在强非线性情况下，灵敏度区间分析方法对参数变化范围的选取比传统差分法的要求要低。通过数值算例表明了用区间方法进行转子系统动力特性灵敏度分析的可行性和有效性。为了验证理论分析方法的有效性和计算精度，本文建立了具有多区间参数的双盘转子试验系统和测控系统。试验研究了不平衡量大小、相位和支承刚度变化对转子系统动力特性的影响规律，验证了转子系统动力特性区间分析方法，并分析了仿真计算和试验结果误差的影响因素。本文所提出的转子系统动力特性区间分析和灵敏度区间分析理论与方法在实际发动机上得到了成功应用。针对高速单轴涡扇发动机转子系统进行了临界转速区间分析，并得到了大量整机试车试验测试结果的验证。对该转子系统进行了动力灵敏度分析，确定了影响转子系统临界转速的关键参数。以先进涡扇发动机双转子系统结构为例，将转子系统动力特性区间分析及灵敏度区间分析理论与方法成功应用到反转双转子系统动力特性分析中，证明了其可行性和有效性。

【学位名称】博士

【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】洪杰

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