【摘 要】
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航空发动机叶片常运行在高温、高压和高转速的环境下,为了提高发动机性能、增加推重比,需要尽可能的减小叶片与机匣内壁的间隙,但是过小的间隙可能会导致叶片-机匣的碰摩,造成转子的剧烈振动甚至叶片和机匣的损坏,引发严重的事故。叶片和机匣作为航空发动机的两个关键零部件,其性能是影响发动机整体性能的主要因素。圆柱壳构件由于结构简单且具有良好的承载能力,被广泛的应用到航空发动机的机匣中,并作为其主要的结构件。本
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目(No.11772089); 教育部基金科研业务费项目(N160313004); 项目名称:航空发动机关键部件疲劳、振动预估及运行安全性控制(项目编号N170308028),经费来源:教育部项目基本科研业务费项目一重大项目,起止年月:2018年1月-2020年12月;
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航空发动机叶片常运行在高温、高压和高转速的环境下,为了提高发动机性能、增加推重比,需要尽可能的减小叶片与机匣内壁的间隙,但是过小的间隙可能会导致叶片-机匣的碰摩,造成转子的剧烈振动甚至叶片和机匣的损坏,引发严重的事故。叶片和机匣作为航空发动机的两个关键零部件,其性能是影响发动机整体性能的主要因素。圆柱壳构件由于结构简单且具有良好的承载能力,被广泛的应用到航空发动机的机匣中,并作为其主要的结构件。本文以旋转叶片-柔性机匣为研究对象,考虑叶片安装角和扭角的影响,分别将旋转叶片简化为预扭悬臂梁模型和预扭悬臂板模型,采用Hamilton能量原理推导了旋转叶片动力学模型。考虑碰摩过程中机匣柔性的影响,将机匣简化圆柱壳模型,基于Hamilton能量原理采用Rayleigh-Ritz法并通过Scihmidt变化,建立了柔性机匣动力学模型,分析了基于梁模型和板模型的旋转叶片-柔性机匣碰摩响应。论文主要研究内容包括:(1)首先基于Love壳理论对简支-简支经典边界条件下圆柱壳进行建模,考虑航空发动机实际的支撑方式,再基于Sanders壳理论对弹支边界条件下圆柱壳进行建模,并通过与文献结果及有限元方法的对比,验证了模型的准确性。之后分析了不同边界条件下薄壁圆柱壳的固有特性,针对弹支-弹支边界,讨论了边界弹簧刚度对圆柱壳固有频率的影响。(2)针对圆柱壳的静变形问题,探究了壳在不同支撑形式下的静变形特征。采用分块求解法,提出了 Sanders壳在弹支边界下响应求解的方法,具体给出了冲击激励下壳响应求解的流程图。之后对圆柱壳的强迫振动响应进行了分析,并给出了有限元验证。分析了瑞利阻尼所选频率范围,激励频率和弹性支撑对圆柱壳响应的影响,同时给出了弹支圆柱壳在径向冲击激励下随时间变化的变形图。(3)采用圆柱壳模型模拟机匣,建立了基于悬臂预扭梁模型的叶片-柔性机匣碰摩动力学模型。对比了机匣采用集中质量点模型,解析圆柱壳模型及有限元圆柱壳模型后对叶片-机匣碰摩响应影响。之后分析了机匣在固支-自由和弹支-弹支约束下的叶片-机匣的碰摩响应,并给出了有限元验证。针对弹支机匣碰摩模型,分析了叶片转速、静态不对中量、最小间隙、机匣厚度和弹簧支撑刚度对碰摩响应的影响。(4)基于悬臂预扭板模型建立了叶片-柔性机匣碰摩动力学模型,对比了直叶片结构和含扭角和安装角的扭型叶片结构下的旋转叶片-柔性机匣碰摩响应。基于ANSYS建立了板壳碰摩有限元模型,验证了所建模型的有效性。针对所建立的悬臂板叶片-柔性机匣碰摩模型,讨论了叶片转速、叶片厚度和支撑刚度对碰摩振动响应的影响。
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