航空發(fā)動(dòng)機(jī)失諧葉盤(pán)振動(dòng)減縮模型與應(yīng)用

前言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，是在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和嚴(yán)酷載荷工況下工作的復(fù)雜機(jī)械裝備。長(zhǎng)期以來(lái)，其工作可靠性和結(jié)構(gòu)完整性問(wèn)題一直是制約高性能發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的瓶頸，核心問(wèn)題之一是葉輪機(jī)葉片一輪盤(pán)（簡(jiǎn)稱(chēng)葉盤(pán)）結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，由葉盤(pán)結(jié)構(gòu)振動(dòng)導(dǎo)致葉片高周疲勞故障和事故約占總故障及事故的25％。長(zhǎng)期以來(lái)，葉盤(pán)結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題的研究主要假設(shè)各葉片一輪盤(pán)扇區(qū)是諧調(diào)的，即不存在其他幾何和物理上的差別，因此可以利用波動(dòng)方法，僅基于單一扇區(qū)模型進(jìn)行葉盤(pán)整體的振動(dòng)分析。典型的是目前幾乎所有的國(guó)際商用大型有限元程序（如ANSYS、MARC、NASTRAN等）均具有這種分析的功能。但是，實(shí)際上由于加工制造誤差、使用中磨損等因素的影響，各葉盤(pán)扇區(qū)間存在物理、幾何方面的小量差別，成為所謂“失諧葉盤(pán)（Mistuned：Bladed Disk）。”理論分析和實(shí)驗(yàn)研究均表明，失諧葉盤(pán)轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生“振動(dòng)局部化（Vibration Localization）”現(xiàn)象，使得局部葉盤(pán)振動(dòng)比諧調(diào)時(shí)有很大增加，一般可能達(dá)到2倍～4倍。因此，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)葉盤(pán)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)響應(yīng)必須研究失諧葉盤(pán)結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題。近20余年以來(lái)，世界主要航空大國(guó)均十分重視這方面的研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。美國(guó)國(guó)防部（DOD）、航空航天管理局（NASA）和能源部（DOS）于1999年8月成立了跨部合作組織，推動(dòng)航空推進(jìn)與動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域的各項(xiàng)研究計(jì)劃（如IHPTET、VAAT、UEET等）的協(xié)調(diào)與合作，確定了9項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。其中第6項(xiàng)中包括了基于振動(dòng)的高循環(huán)疲勞科學(xué)與技術(shù)計(jì)劃（HCF S&T），主要研究?jī)?nèi)容之一便是失諧葉盤(pán)轉(zhuǎn)子振動(dòng)局部化問(wèn)題。我國(guó)實(shí)施的“十五”和“十一五”航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究計(jì)劃設(shè)有多個(gè)專(zhuān)題研究葉盤(pán)結(jié)構(gòu)失諧振動(dòng)和振動(dòng)抑制問(wèn)題。國(guó)家自然科學(xué)基金和航空科學(xué)基金也多次資助了這方面的研究工作。2005年，國(guó)家某重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目也設(shè)專(zhuān)題“葉盤(pán)結(jié)構(gòu)失諧理論”進(jìn)行這方面的研究。進(jìn)行失諧葉盤(pán)振動(dòng)問(wèn)題研究的最大挑戰(zhàn)是，由于失諧導(dǎo)致葉盤(pán)周期對(duì)稱(chēng)性喪失，不能像諧調(diào)葉盤(pán)那樣僅取單葉盤(pán)扇區(qū)建立模型進(jìn)行分析，而必須建立完整葉盤(pán)模型進(jìn)行分析研究。這樣若要進(jìn)行高保真（High Fidelity）數(shù)值分析，模型規(guī)模是巨大的，即使利用目前的計(jì)算機(jī)軟硬件條件也是無(wú)法完成的。

內(nèi)容概要

　　本書(shū)全面系統(tǒng)地闡述了航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件——葉盤(pán)結(jié)構(gòu)在失諧情況下振動(dòng)特性分析的高保真減縮模型建模理論與方法，以及這些方法在各種失諧葉盤(pán)振動(dòng)模態(tài)和振動(dòng)響應(yīng)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用?！　”緯?shū)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性和可靠性方面的學(xué)術(shù)專(zhuān)著，可供航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等研制研究院所和企業(yè)的研究人員和工程技術(shù)人員參考，同時(shí)可供航空宇航推進(jìn)理論與工程、飛行器動(dòng)力工程、動(dòng)力機(jī)械等專(zhuān)業(yè)的高年級(jí)本科生和研究生葉盤(pán)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的教學(xué)參考書(shū)，也可以作為工程力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等學(xué)科研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題的參考。

書(shū)籍目錄

第1章 概述　1.1 失諧葉盤(pán)結(jié)構(gòu)振動(dòng)局部化現(xiàn)象和機(jī)理　1.2 失諧葉盤(pán)結(jié)構(gòu)振動(dòng)局部化問(wèn)題　1.3 失諧葉盤(pán)結(jié)構(gòu)振動(dòng)研究進(jìn)展　1.4 高保真失諧葉盤(pán)結(jié)構(gòu)模擬問(wèn)題第2章 失諧葉盤(pán)結(jié)構(gòu)振動(dòng)模型和基本特性　2.1 引言　2.2 結(jié)構(gòu)振動(dòng)與分析模型　　2.2.1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)基本問(wèn)題一振動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)　　2.2.2 模型類(lèi)型和建模方法　　2.2.3 結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題減縮建模問(wèn)題　2.3 失諧葉盤(pán)振動(dòng)基本分析模型　2.4 失諧葉盤(pán)結(jié)構(gòu)振動(dòng)減縮模型建模方法　　2.4.1 經(jīng)典模態(tài)減縮模型建模方法　　2.4.2 基于子結(jié)構(gòu)分解的模態(tài)減縮建模方法　　2.4.3 改進(jìn)的經(jīng)典模態(tài)減縮建模方法　　2.4.4 基于子結(jié)構(gòu)分解的傳遞函數(shù)模型建模方法　2.5 失諧模擬和葉盤(pán)減縮建模的若干問(wèn)題　　2.5.1 失諧形式與模擬　　2.5.2 減縮建模涉及的主要問(wèn)題　2.6 失諧葉盤(pán)振動(dòng)局部化因子　　2.6.1 振動(dòng)模態(tài)局部化因子　　2.6.2 失諧振動(dòng)響應(yīng)局部化因子　　2.6.3 隨機(jī)失諧問(wèn)題局部化因子　2.7 基于集中參數(shù)模型的隨機(jī)失諧葉盤(pán)概率振動(dòng)特性　　2.7.1 模型、諧調(diào)振動(dòng)特性和失諧參數(shù)　　2.7.2 隨機(jī)失諧葉盤(pán)結(jié)構(gòu)固有頻率概率特性　　2.7.3 隨機(jī)失諧葉盤(pán)結(jié)構(gòu)模態(tài)振型概率特性　　2.7.4 隨機(jī)失諧葉盤(pán)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)概率特性　2.8 典型葉盤(pán)結(jié)構(gòu)失諧振動(dòng)模態(tài)局部化分析　　2.8.1 諧調(diào)葉盤(pán)結(jié)構(gòu)模態(tài)特性　　2.8.2 葉盤(pán)結(jié)構(gòu)諧波失諧模擬和模態(tài)局部化特性　　2.8.3 錯(cuò)頻葉盤(pán)結(jié)構(gòu)失諧模擬和模態(tài)局部化特性　　2.8.4 隨機(jī)失諧模擬和概率模態(tài)局部化特性　2.9 基于振型節(jié)徑譜的葉盤(pán)結(jié)構(gòu)失諧機(jī)理　　2.9.1 振型節(jié)徑譜與模態(tài)激勵(lì)　　2.9.2 典型葉盤(pán)模態(tài)振型節(jié)徑譜第3章 經(jīng)典模態(tài)減縮建模方法　3.1 引言　3.2 基本理論　3.3 基于旋轉(zhuǎn)周期對(duì)稱(chēng)描述的失諧矩陣　3.4 失諧與葉片頻率偏離　3.5 自由振動(dòng)減縮模型的簡(jiǎn)化形式　3.6 典型實(shí)例分析與研究　　3.6.1 簡(jiǎn)化短葉片葉盤(pán)結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)和振動(dòng)響應(yīng)　　3.6.2 簡(jiǎn)化長(zhǎng)葉片葉盤(pán)結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)和振動(dòng)響應(yīng)　　3.6.3 工程葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)和振動(dòng)響應(yīng)　3.7 基于FMM方法的瞬態(tài)響應(yīng)分析　3.8 SNM和FMM方法的主要特點(diǎn)第4章 固定界面子結(jié)構(gòu)模態(tài)減縮建模方法　4.1 引言　4.2 葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的固定界面子結(jié)構(gòu)分解　4.3 輪盤(pán)子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)周期對(duì)稱(chēng)理論　4.4 葉盤(pán)結(jié)構(gòu)C-B減縮模型　　4.4.1 葉片子結(jié)構(gòu)C-B模型　　4.4.2 輪盤(pán)子結(jié)構(gòu)C-B模型　　4.4.3 葉盤(pán)結(jié)構(gòu)C-B減縮模型　4.5 改進(jìn)固定界面子結(jié)構(gòu)模態(tài)減縮模型　　4.5.1 改進(jìn)固定界面子結(jié)構(gòu)模態(tài)減縮原理　　4.5.2 無(wú)凸肩葉盤(pán)結(jié)構(gòu)減縮模型　　4.5.3 有凸肩葉盤(pán)結(jié)構(gòu)減縮原理　　4.5.4 具有凸肩葉片的失諧模擬　　4.5.5 有凸肩葉盤(pán)結(jié)構(gòu)減縮模型第5章 雜交界面子結(jié)構(gòu)模態(tài)減縮方法第6章 改進(jìn)經(jīng)典模態(tài)減縮建模方法第7章 基于傳遞函數(shù)描述的減縮方法第8章 多級(jí)葉盤(pán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)減縮模型與應(yīng)用第9章 失諧葉盤(pán)轉(zhuǎn)子氣彈耦合減縮模型與應(yīng)用第10章 基于減縮模型的失諧參數(shù)識(shí)別方法參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：8.失諧識(shí)別問(wèn)題研究失諧葉盤(pán)結(jié)構(gòu)振動(dòng)反問(wèn)題之一是失諧識(shí)別問(wèn)題。對(duì)于整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)，制造過(guò)程可以由失諧識(shí)別確定制造誤差，使用過(guò)程則可以由失諧識(shí)別判定葉盤(pán)的損傷和故障。因此，失諧的識(shí)別是非常重要的，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。這方面的研究包括基于集中參數(shù)模型的識(shí)別方法和第10章討論的基于有限元減縮模型的系統(tǒng)模態(tài)減縮、子結(jié)構(gòu)模態(tài)減縮識(shí)別技術(shù)等。1）基于集中參數(shù)模型的識(shí)別方法。1997年，文獻(xiàn)[198]最先較系統(tǒng)地研究了失諧葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的參數(shù)識(shí)別問(wèn)題。其基于單自由度扇區(qū)集中參數(shù)模型，利用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫響應(yīng)模擬測(cè)量值對(duì)葉盤(pán)結(jié)構(gòu)模型參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。文章首先對(duì)利用此數(shù)據(jù)進(jìn)行傳統(tǒng)參數(shù)識(shí)別最小二乘法和極大似然法的適用性進(jìn)行了分析和評(píng)定，然后提出了混合最小二乘一極大似然（MixedLeast Squares-Maxinum Likelihood）識(shí)別方法。方法結(jié)合了最小二乘法的計(jì)算優(yōu)勢(shì)和極大似然法高度的可靠性，可從具有噪聲干擾的模擬響應(yīng)數(shù)據(jù)中獲得較好參數(shù)識(shí)別。2001年，文獻(xiàn)[199，200]也基于集中參數(shù)模型進(jìn)行了葉片質(zhì)量、剛度、固有頻率，模態(tài)振型及其統(tǒng)計(jì)分布等的識(shí)別研究。研究中假定各葉片最低幾階固有頻率已由實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得。由于實(shí)際測(cè)得的固有頻率階數(shù)總是要少于待識(shí)別的未知數(shù)，因此識(shí)別問(wèn)題是不確定性問(wèn)題。

編輯推薦

《航空發(fā)動(dòng)機(jī)失諧葉盤(pán)震動(dòng)減縮模型與應(yīng)用》是國(guó)內(nèi)外第一本較為系統(tǒng)總結(jié)和全面闡述20世紀(jì)90年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外（包括作者自己研究的）基于各種減縮模擬原理的各類(lèi)失諧葉盤(pán)振動(dòng)分析建模理論、方法與應(yīng)用方面的專(zhuān)門(mén)論著。全書(shū)共10章，第1章說(shuō)明了失諧葉盤(pán)結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題的局部化現(xiàn)象、基本問(wèn)題和研究進(jìn)展等；第2章討論工程結(jié)構(gòu)和失諧葉盤(pán)結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析模擬基本原理和基本特性；第3章和第6章分別討論基于經(jīng)典模態(tài)減縮和改進(jìn)經(jīng)典模態(tài)減縮的建模方法；第4章和第5章分別說(shuō)明基于子結(jié)構(gòu)分解的固定界面模態(tài)減縮方法和雜交模態(tài)減縮方法；第7章是基于傳遞函數(shù)描述的減縮建模方法；第8章討論多級(jí)葉盤(pán)轉(zhuǎn)子失諧振動(dòng)減縮模型和特性分析；第9章介紹失諧葉盤(pán)轉(zhuǎn)子氣彈耦合減縮模型與應(yīng)用；第10章說(shuō)明了基于減縮模型的單級(jí)和多級(jí)葉盤(pán)轉(zhuǎn)子失諧參數(shù)識(shí)別的多種方法。

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