叶片是燃汽轮机等重要叶轮机械的关键部件,在多场耦合复杂边界条件下容易产生较大的振动,进而引起振动疲劳损伤问题。特别是随着旋转机械向高温、高压、大功率方向发展,采用新材料和新结构形式的叶片,其振动及其所导致的高周疲劳问题更为严重。针对叶片振动抑制的阻尼技术研究,是目前理论和技术领域的重要课题。本项目面向叶片振动抑制的理论和技术的迫切需求,开展三类阻尼技术的基础研究,即叶根榫头榫槽处的榫连部位摩擦阻尼、叶根处施加粘弹性阻尼层、叶身施加新型阻尼硬涂层,掌握叶片阻尼结构的振动分析方法,获得叶片阻尼结构的振动特性,评估叶片阻尼振动抑制的有效性,以期获得合理的叶片阻尼减振效果。本文主要完成了如下几个方面的研究内容：(1)针对叶片叶根处榫头-榫槽的榫连接触和摩擦阻尼减振的理论研究,建立叶片叶根榫头-榫槽榫连接触的简化力学模型,引入接触摩擦环节,采用三阶模态截断,得到了考虑叶根榫连摩擦阻尼和在气动周期激励下的强迫响应。在采用弹簧和粘性阻尼器来描述榫头榫槽法向压力并符合库伦摩擦的条件下,所得结果表明,榫连部位摩擦阻尼对叶片的固有频率和共振响应影响较小,实测结果验证了仿真结果的合理性。(2)针对叶片榫连摩擦阻尼的数值仿真方法开展研究,详细介绍了接触问题有限元分析方法的基本原理,建立了考虑榫连接触和摩擦非线性的叶片动力学有限元模型并进行数值计算,利用试验测试结果对带有摩擦阻尼的叶片模型进行确认。有限元数值仿真结果表明,不同榫连部位摩擦系数下的固有频率随着摩擦系数的增大而增大,利用叶根不同预紧力等实测证明了上述结果。所得的谐响应结果表现出榫连摩擦阻尼具有减振特性,即在共振频率和非共振频率激励下叶片的振动应力下降。(3)基于有限元数值仿真方法,对比分析叶片榫连部位的接触状态的变化和对整个盘片组合结构的动力学特性的影响。结果表明,榫连部位的摩擦系数和盘片组合结构的旋转角速度对榫头-榫槽接触面上接触压力和滑动距离有明显影响。随着摩擦系数的增加,接触面上接触压力的值逐渐的降低,随着摩擦系数的增加,接触面上的滑动距离逐渐的减小。随着转速的增加,接触面上接触压力和滑动距离逐渐的增大。带有榫连摩擦阻尼的盘片组合结构的固有频率比固连条件下的固有频率低。(4)提出了一种在叶根处施加粘弹性阻尼块的阻尼减振新方法。利用前述叶片简化力学模型,基于复模量模型表征粘弹性材料的本构关系,建立粘弹性阻尼块-叶片系统的解析动力学模型。采用复特征值法对粘弹性阻尼块-叶片系统进行固有频率、损耗因子和响应分析。理论解析分析和实测结果对照,表明粘弹性阻尼块参数(厚度、储能模量、损耗因子)和叶片旋转角速度对叶片的固有特性和响应有影响。随着粘弹性阻尼块厚度的增加,粘弹性阻尼块-叶片的固有频率降低,模态阻尼比升高,其共振响应随着粘弹性阻尼块的厚度的增加对不同阶次的共振响应影响不同。(5)在完成粘弹性材料复合结构的有限元分析方法比较与确认的基础上,开展了叶根施加粘弹性阻尼块的有限元数值计算方法的研究。采用复常量模型表征添加在叶片根部的粘弹性阻尼材料建立粘弹性阻尼块-叶片有限元模型,基于模态应变能法计算带有粘弹性阻尼块的叶片的固有频率和损耗因子,采用谐响应分析方法对比分析带有粘弹性阻尼块叶片的振动响应与减振效果。通过试验验证所得结果的正确性。结果表明,所提出的有限元建模和数值计算方法具有合理性。(6)提出一种针对叶片减振的叶身涂敷阻尼硬涂层的新方法。利用前文所述叶片简化力学模型,基于改进的Oberst复合层梁弯曲理论,建立硬涂层阻尼-叶片的动力学方程并进行解析分析。获得硬涂层-叶片的前三阶固有频率和基础激励作用下的稳态响应。对比涂敷硬涂层前后的固有频率和响应结果并通过实测验证,表明叶身涂敷阻尼硬涂层的新方法对叶片的振动减振具有有效性。(7)利用复合材料结构的有限元法和基于各向异性材料力学原理描述硬涂层阻尼材料,建立了具有各向异性特性的硬涂层-真实叶片的有限元模型。对比分析硬涂层材料特性(如电磁效应、厚度和涂敷位置)对叶片固有特性和谐响应的影响。结果表明,叶片叶背上涂敷硬涂层时,与无涂层的叶片相比,各阶固有频率的差值都有增大的变化。高阶扭转模态和复合振动模态对涂层厚度较敏感。考虑压电和压磁效应时有一定影响,特别是硬涂层的压磁效应对高阶振型影响较大。叶片叶背涂敷硬涂层时,与无涂层的叶片相比,共振响应有降低的趋势。结果还表明,叶身叶背涂敷部分涂层比叶身叶背全部涂敷涂层的振动应力下降的多,减振效果明显。本文从理论解析、数值仿真和实验验证三个方面相互对比,相互确认研究了用于叶片振动抑制的叶片叶根处榫头-榫槽的榫连接触和摩擦阻尼、叶根处施加粘弹性阻尼材料阻尼、在叶身上施加新型硬涂层阻尼的减振机理、阻尼模型和振动响应分析方法。理论分析、数值模拟和实测结果表明,榫连摩擦阻尼、粘弹性阻尼块、硬涂层阻尼对叶片的固有特性和响应都有不同程度的影响,起到阻尼减振作用。这三类阻尼技术,在一定条件下都可以用于叶片的振动抑制,对降低叶片振动水平、提高叶片抗高周疲劳能力具有重要价值。