航空发动机叶盘转子结构的典型振动问题研究

【类型】学位论文

【作者】辛健强 

【关键词】 叶盘结构 结构失谐 流体失谐 科氏力 圆柱壳 裂纹 参数振动稳定性

【摘要】叶盘转子结构振动诱发的高循环疲劳失效是制约航空发动机结构完整性和可靠性的重大问题，其中又以叶盘结构和壳体较容易出现振动故障。大量研究统计表明，许多航空发动机的重大事故与叶盘振动和壳体振动有关。在整体叶盘结构的振动问题中，一个不可回避的现象是失谐，在某些情况下失谐会导致响应的放大，使振动问题更加突出。另外叶盘结构强迫振动的流体激励问题也是准确预测强迫响应水平的关键因素。在航空发动机的工作环境中，旋转壳结构可能会受到时变转速的影响进而导致参数共振。本文即是针对以上两方面的内容进行研究：一方面研究了失谐叶盘结构振动特性分析中的两个典型问题：流体激励失谐设计问题和科氏力的影响作用，另一方面研究了旋转效应影响下裂纹壳结构的参数振动稳定性问题。研究了叶轮机械转静件干涉激励-响应问题中的流体失谐设计理论。首先建立了叶盘结构共振理论的基本描述，并且由此给出了流体激励失谐设计的频域分析和空间分布分析。在理论分析的基础上对典型实际工程结构谐调叶盘进行流体失谐设计。设计中基于单点激励模拟，分析了失谐激励的频域特性和空间节径谱特性，预估了流体失谐设计对降低某转子叶盘响应水平的效果。同样基于叶盘结构共振理论，给出了典型结构失谐叶盘的模态频率特性和空间分布特性分析，从而完整描述了叶轮机械转静件干涉问题中流体激励与结构两方面的频率和空间分布特性，为其瞬态响应分析奠定了基础。 利用模态减缩理论和精细积分方法研究了设计失谐流体激励下实际结构谐调叶盘的瞬态响应特性，从响应的频率特性、空间特性方面对流体失谐设计效果进行评价。综合引入结构失谐与流体失谐共同作用效果，分析典型确定性结构失谐叶盘在引入流体失谐后的瞬态响应特性和概率性随机结构失谐与设计流体失谐对叶盘瞬态响应的影响。在此基础上结合结构失谐叶盘模态特性研究结果，对流体失谐设计降低结构失谐叶盘振动响应水平效果进行评价，确定流体失谐降低结构失谐叶盘的响应水平的适用性，并且给出了结构失谐叶盘进行流体失谐设计应该遵从的原则。利用计算流体动力学与结构动力学相结合的计算方法，分析了实际流体激励下叶盘结构瞬态响应特性。对流体谐调和2种设计流体失谐模式两级全环叶盘结构进行准三维非定常流体动力学计算，得到了真实流场脉动压强时序结果。对真实谐调和失谐流体激励进行频域和空间谱分析，并且在此基础上，计算了真实谐调与失谐流体激励下实际结构谐调与失谐叶盘的瞬态响应特性。验证简化失谐流体激励设计的正确性并根据实际气动负荷作用下叶盘的瞬态响应分析结果评价流体失谐设计效果。分析了科氏力和离心力影响下实际谐调与失谐叶盘结构的振动模态与谐响应特性。给出了考虑科氏力影响的叶盘结构振动问题的理论描述及商用有限元软件ANSYS中考虑科氏力效应振动特性分析原理简介。分析了离心力与科氏力对叶盘结构模态频率特性的影响规律，提出“科氏力影响因子”概念，研究了科氏力对失谐叶盘模态局部化的影响。计算了考虑旋转效应的谐调与失谐叶盘结构的谐响应特性，分析了科氏力对叶盘响应水平的影响。提出了航空发动机鼓式结构由于时变转速引起的参数振动问题，研究了裂纹圆柱壳在旋转效应影响下的屈曲、振动和参数振动稳定性。利用Bolotin方法推导了时变转速影响下旋转结构参数振动稳定性数学描述，并研究了裂纹尺寸、裂纹方向、阻尼、旋转速度基值、静载荷因子和动载荷因子等参数对旋转圆柱壳结构参数振动稳定性的影响。

【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】王建军

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