航空发动机整体叶盘结构的模态分析与非线性振动研究

论文摘要

为了减轻航空发动机的重量,提高发动机的推进效率,许多航空发动机都采用了整体叶盘结构。整体叶盘结构由转子的轮盘和叶片共同构成,一体成型,为一个整体结构。由于轮盘变得更薄,轮盘的刚度也明显减小,这会导致叶盘结构的大幅度振动,这些非线性振动进而会给航空发动机的正常运行带来很大的威胁。本文集中研究了某压气机整体叶盘在变转速和超声速气流下的非线性耦合振动。首先,利用CFD和FEM软件对真实几何参数建模的整体叶盘模型进行耦合振动特性分析,此分析同时考虑了气动载荷和离心力的影响。根据所得到的共振坎贝尔图,得到了整体叶盘最危险的振型阶次,也就是第四阶振型,由盘的扭转和叶片的第一阶弯曲振动构成。因此,基于此阶振型,建立了整体叶盘的集总质量和弹簧形式的动力学模型。模型的准确性通过与有限元模拟得出的共振频率进行对比得到了验证。此模型同时考虑了诸多因素,包括叶片的非线性弹性,叶片受到的气动尾流激励,离心力以及扰动转速。然后,通过哈密顿原理和动力学离散,得到了整体叶盘的非线性微分控制方程。由于整体叶盘的轮盘和叶片振动频率的比例为1:1,所以对整体叶盘的1:1内共振下的特性进行了分析。通过多尺度方法得到了集总参数模型整体叶盘的非线性常微分方程,进而通过数值模拟方法研究了系统的频率响应特性。根据系统的频响曲线,讨论了非线性弹性和转速以及尾流激励对整体叶盘稳态非线性响应的影响。然后建立了整体叶盘非线性耦合振动的连续参数模型,并且根据Hamilton原理建立了连续参数模型整体叶盘耦合振动的非线性动力学方程组,利用多尺度法和数值软件研究了系统的稳态响应特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 研究意义
•   1.3 课题的研究现状
•     1.3.1 传统叶盘结构的研究现状
•     1.3.2 整体叶盘结构固有振动特性的研究现状
•     1.3.3 整体叶盘结构动力学特性的研究现状
•     1.3.4 整体叶盘非线性动力学特性的国内外研究现状
•     1.3.5 文献总结
•   1.4 课题主要研究内容
•     1.4.1 课题来源
•     1.4.2 课题研究内容
• 第2章 整体叶盘模态特性分析
•   2.1 整体叶盘模态分析的研究方案
•   2.2 整体叶盘模态分析的研究步骤
•   2.3 整体叶盘模态特性分析结果
•   2.4 本章小结
• 第3章 整体叶盘集总参数模型的动力学方程组
•   3.1 整体叶盘的集总参数动力学模型
•   3.2 集总参数动力学模型的准确性验证
•   3.3 整体叶盘集总参数模型的非线性动力学方程组
•   3.4 本章小结
• 第4章 集总参数模型的摄动分析和频率响应方程
•   4.1 集总参数模型的摄动分析
•   4.2 集总参数模型频率响应曲线的数值模拟
•   4.3 本章小结
• 第5章 整体叶盘连续参数模型的动力学方程组
•   5.1 引言
•   5.2 整体叶盘的连续参数模型
•   5.3 整体叶盘连续参数模型的动力学方程
•   5.4 推导振型函数
•     5.4.1 能量最大值
•     5.4.2 推导正交多项式
•     5.4.3 确定振型函数
•   5.5 离散动力学方程组
•   5.6 本章小结
• 第6章 整体叶盘连续参数模型的数值分析
•   6.1 连续参数模型的摄动分析
•   6.2 连续参数模型频率响应曲线的数值模拟
•   6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王洪波

导师: 张伟

关键词: 非线性耦合振动,整体叶盘,气动载荷,危险振型分析,频响特性

来源: 北京工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,航空航天科学与工程

单位: 北京工业大学

基金: 国家自然基金项目(11372015),国家自然科学基金(11832002),国家自然科学基金(11290152),国家自然科学基金(11427801)

分类号: O322;V231.92

DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000595

总页数: 81

文件大小: 2241K

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