航空发动机和燃气轮机等高速旋转机械中叶片恶劣的工作环境,加上结构和气体中的非线性因素,导致叶片非线性气动弹性问题突出。叶片在气动力作用下会发生颤振失稳,而且旋转带冠叶片受到的离心力和碰撞力对叶片颤振具有重要影响。目前对于带冠叶片考虑离心力和气动力共同作用下的气动弹性研究尚不充分。因此,研究旋转带冠叶片的非线性气动弹性稳定性成为本文重点研究问题。本文在总结先前学者研究成果的基础上开展了关于旋转带冠叶片非线性气动弹性特性研究,从理论和数值仿真计算方面进行了系统稳定性研究,主要工作内容可以分为以下几个方面:1.将高速旋转带冠叶片简化为固定在刚性旋转轴上的端部有质量块的薄壁Euler-Bernoulli梁模型。考虑变转速情况和几何大变形非线性因素,使用一阶活塞理论求得叶片受到的气动力和气动力矩。考虑叶片弯扭变形,利用Hamilton原理建立了高速旋转带冠叶片两自由度耦合的非线性动力学方程。2.利用四阶Runge-Kutta法对带冠叶片的非线性动力学方程进行数值积分计算。通过特征值理论方法求出带冠叶片发生颤振时的旋转角速度,作出对应转速的时间历程图和相图。同时,分析了带冠叶片的相关结构参数对颤振速度的影响。结果发现,质量块的质量和位置对带冠叶片的颤振速度有一定的影响。3.用谐波平衡法分析了带冠叶片的极限环响应。通过谐波平衡法求出方程对应的解析解,求解发现系统随着转速的变化会发生Hopf分岔。同时与数值解结果进行对比,二者结果相吻合。讨论了质量块对叶片极限环响应的影响。4.通过Solidworks软件建立了带冠叶片模型,将其导入ANSYS Workbench中进行模态分析,得到不同转速下的固有频率与振型。通过Campbell图,发现随着转速的升高,固有频率是动态变化的。同时,分析了考虑旋转预应力和单向流固耦合作用下的模态,得到固有频率比静态下的固有频率要大。5.考虑带冠叶片之间的碰撞作用,建立碰撞力模型,推出带冠叶片碰撞动力学方程。采用谐波平衡法得到方程解析解,分析了带冠叶片在不同参数下的响应特性。本文较为全面地分析了带冠叶片在考虑弯扭耦合运动时的非线性气动弹性响应特性,对于带冠叶片结构设计和优化有一定指导意义。