【摘 要】
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航空发动机管路卡箍是一种常用的标准件,且航空发动机管路一般通过卡箍固定在机匣上,或者通过卡箍连接在一起。在航空发动机等重要设备上,必须对含卡箍支承的管路系统进行科学的分析和设计,而进行这些分析的基础就是较为准确的获得卡箍在动载荷条件下的力学参数。同时,航空发动机中的卡箍一般由金属箍带、金属橡胶等组成。由于金属橡胶衬垫中含有粘弹性阻尼材料,而粘弹性材料具有频率依赖性,因而通过静力学获得的卡箍力学参数
【基金项目】
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中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(编号:N170308028); 航空发动机管路B专项项目;
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航空发动机管路卡箍是一种常用的标准件,且航空发动机管路一般通过卡箍固定在机匣上,或者通过卡箍连接在一起。在航空发动机等重要设备上,必须对含卡箍支承的管路系统进行科学的分析和设计,而进行这些分析的基础就是较为准确的获得卡箍在动载荷条件下的力学参数。同时,航空发动机中的卡箍一般由金属箍带、金属橡胶等组成。由于金属橡胶衬垫中含有粘弹性阻尼材料,而粘弹性材料具有频率依赖性,因而通过静力学获得的卡箍力学参数可能与真实状态存在差异。为此,本文提出通过振动测试来反推卡箍力学参数的方法,即反推法。基于以上问题,本文在在动载荷条件下进行航空发动机卡箍力学参数反推辨识研究,具体包括以下4部分内容:(1)提出基于实测频响函数反推卡箍支承刚度和阻尼的方法并讨论了预紧力对卡箍力学参数的影响。利用自编有限元创建了管体-卡箍系统的动力学模型并求解了频响函数。在合理选择初值的基础上,研发了基于灵敏度的管路卡箍支承刚度和阻尼反推辨识算法。进行了实例研究,用所提出的方法辨识出了所研究卡箍的支承刚度和阻尼,并验证了结果的合理性。最后,辨识出不同预紧力作用下管路卡箍的支承刚度及阻尼并讨论了预紧力的影响。研究表明,卡箍的刚度及阻尼具有频率依赖性并受到预紧力影响,且水平及竖直方向存在差异。(2)研发了基于实测扫频响应反推卡箍支承刚度及阻尼的方法。利用自编有限元推导了求解管路系统振动响应的动力学方程。在利用响应面法的匹配计算中,进行了卡箍支承刚度及阻尼关于频率和对应响应的多项式拟合,并采用遗传算法进行了优化。最后,进行了实例研究,用所提出的方法辨识出了所研究管路卡箍的具有频率依赖性的支承刚度和阻尼。将辨识值回代到分析模型中,通过比较预测的与实测的频域响应,证明了辨识结果的合理性。(3)进行了基于ANSYS优化模块和实测扫频响应反推出卡箍弹性模量及材料阻尼的研究。首先,建立管路系统完整有限元模型,在指定预紧力下进行了振动分析。接着,通过简单管路模型确定了适用于本研究的ANSYS优化工具及算法。利用随机工具和零阶方法,进行卡箍力学参数辨识。最后,以典型管路卡箍为例,用所提出的方法辨识出了该管路卡箍的弹性模量及材料阻尼。将辨识结果回代到三维有限元模型中,通过比较模型计算与实测的频域响应,验证了辨识结果及方法的合理性。另外,辨识结果表明卡箍的材料阻尼具有频率依赖性。(4)在进行基于虚拟材料简化卡箍建模的基础上,同样利用ANSYS优化模块开展反推卡箍弹性模量及材料阻尼的研究。在已建立的三维完整管路卡箍系统有限元模型基础上提取力学参数,利用各向同性虚拟材料建模方法,建立基于虚拟材料的管路系统三维有限元模型。进而,利用已确定的随机工具和零阶方法研发了反推辨识卡箍(包括金属橡胶和金属箍带)的弹性模量及材料阻尼的方法。最后,以双卡箍支承单管路系统为例进行实例研究,并验证了结果的合理性。在航空发动机管路系统动力学建模及减振研究中,较为准确地获取动载荷下卡箍力学参数是很有必要的。本文在动载荷条件下采用反推辨识的方法确定的卡箍力学参数,可以为航空发动机管路系统动力学建模的研究提供支持,同时整个研究也可以为其它量值的反推辨识研究提供参考。
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