基于弯扭耦合的叶冠阻尼器动力学特性分析

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随着我国航空事业的发展,航空发动机的研究越来越受到关注。航空发动机涡轮叶片减振是其中一个重要的研究方向。由叶片振动引起的较高动应力是叶片高周疲劳的主要原因。实验和研究表明通过附加干摩擦阻尼器可以有效减小叶片振动。叶冠阻尼结构是一种典型的干摩擦阻尼结构,目前已广泛应用于涡轮叶片减振。目前针对叶冠阻尼器碰摩动力学开展了大量的研究,取得了显著的研究进展,主要集中在动力学模型、干摩擦接触模型和求解非线性系统响应的方法等方面。但由于叶冠阻尼器减振涉及动力学、摩擦学等多个方面,且具有复杂的非线性特性,仍然存在需要深入研究的问题,特别是考虑弯扭耦合振动的动力学建模与振动特性研究、考虑叶冠弹性变形的动力学特性研究等。深入研究叶冠干摩擦阻尼器的动力学建模和减振特性仍具有重要的理论和工程价值。本文在相关研究的基础上,就涡轮叶片叶冠阻尼器的振动及减振特性进行深入的研究。主要的工作有:(1)考虑了基于正碰的叶冠二维振动模型,建立了二自由度集中质量模型。通过引入完善的双线性迟滞模型来模拟叶冠之间的摩擦力,相邻叶冠之间的碰撞力使用线性弹簧进行模拟。考虑叶片振动对粘滑和摩擦界面分离之间过渡的影响。本章推导了叶片在不同接触条件下的动力学方程,研究了刚度比,初始间隙和气流激振力幅值对带冠叶片非线性动力学响应特性的影响规律。本章的工作为后续研究奠定了坚实的基础。(2)在前一研究基础上研究了叶片在弯扭耦合振动情况下的动力学特性。基于叶片弯扭耦合振动的工况,考虑了叶片正压力与摩擦力对叶片质心的接触力矩对接触运动学的影响,建立了一个三自由度集中质量模型,叶片被简化为具有尺寸和形状的质量块。分析了复杂接触运动下的接触-分离转换条件,建立了叶片在不同碰摩接触下的动力学方程。数值仿真引入了二分法捕捉接触-分离转换及粘-滑转换,编制了四阶龙格库塔程序用于系统响应的精确计算。首先研究了带冠叶片响应特性随关键参数变化的规律。提出了不同响应下弯扭耦合系统减振的评价方法;最后得到了叶片的减振规律,为工程中该类阻尼器的设计提供了更加科学的参考。(3)本部分工作在前一研究的基础上考虑了两相邻叶冠在接触时的弹性变形对叶冠阻尼器系统动力学的影响,所建立的分析方法更贴近工程。在考虑弹性变形时,叶片弯扭耦合振动导致的摩擦接触为面接触,因此本部分引入了更加精确的微滑移摩擦模型对干摩擦接触进行建模,分析了叶冠弹性变形导致的复杂正压力与摩擦力的影响。本部分的仿真结果揭示了叶冠弹性变形对系统响应的影响机理,得到了更加科学的带冠叶片减振规律。
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