航空發(fā)動機失諧葉盤振動減縮模型與應用

前言

航空發(fā)動機是飛機的心臟，是在高溫、高壓、高轉速和嚴酷載荷工況下工作的復雜機械裝備。長期以來，其工作可靠性和結構完整性問題一直是制約高性能發(fā)動機發(fā)展的瓶頸，核心問題之一是葉輪機葉片一輪盤（簡稱葉盤）結構振動問題。統計表明，航空發(fā)動機中，由葉盤結構振動導致葉片高周疲勞故障和事故約占總故障及事故的25％。長期以來，葉盤結構振動問題的研究主要假設各葉片一輪盤扇區(qū)是諧調的，即不存在其他幾何和物理上的差別，因此可以利用波動方法，僅基于單一扇區(qū)模型進行葉盤整體的振動分析。典型的是目前幾乎所有的國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，實際上由于加工制造誤差、使用中磨損等因素的影響，各葉盤扇區(qū)間存在物理、幾何方面的小量差別，成為所謂“失諧葉盤（Mistuned：Bladed Disk）?！崩碚摲治龊蛯嶒炑芯烤砻?，失諧葉盤轉子會產生“振動局部化（Vibration Localization）”現象，使得局部葉盤振動比諧調時有很大增加，一般可能達到2倍～4倍。因此，為準確預測葉盤轉子的振動響應必須研究失諧葉盤結構振動問題。近20余年以來，世界主要航空大國均十分重視這方面的研究和技術開發(fā)工作。美國國防部（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，推動航空推進與動力技術領域的各項研究計劃（如IHPTET、VAAT、UEET等）的協調與合作，確定了9項關鍵技術。其中第6項中包括了基于振動的高循環(huán)疲勞科學與技術計劃（HCF S&T），主要研究內容之一便是失諧葉盤轉子振動局部化問題。我國實施的“十五”和“十一五”航空發(fā)動機研究計劃設有多個專題研究葉盤結構失諧振動和振動抑制問題。國家自然科學基金和航空科學基金也多次資助了這方面的研究工作。2005年，國家某重大基礎研究項目也設專題“葉盤結構失諧理論”進行這方面的研究。進行失諧葉盤振動問題研究的最大挑戰(zhàn)是，由于失諧導致葉盤周期對稱性喪失，不能像諧調葉盤那樣僅取單葉盤扇區(qū)建立模型進行分析，而必須建立完整葉盤模型進行分析研究。這樣若要進行高保真（High Fidelity）數值分析，模型規(guī)模是巨大的，即使利用目前的計算機軟硬件條件也是無法完成的。

內容概要

　　本書全面系統地闡述了航空發(fā)動機和燃氣輪機關鍵部件——葉盤結構在失諧情況下振動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振動模態(tài)和振動響應預測中的應用。　　本書是航空發(fā)動機結構完整性和可靠性方面的學術專著，可供航空發(fā)動機、燃氣輪機等研制研究院所和企業(yè)的研究人員和工程技術人員參考，同時可供航空宇航推進理論與工程、飛行器動力工程、動力機械等專業(yè)的高年級本科生和研究生葉盤轉子動力學的教學參考書，也可以作為工程力學、機械結構等學科研究復雜結構振動問題的參考。

書籍目錄

第1章 概述　1.1 失諧葉盤結構振動局部化現象和機理　1.2 失諧葉盤結構振動局部化問題　1.3 失諧葉盤結構振動研究進展　1.4 高保真失諧葉盤結構模擬問題第2章 失諧葉盤結構振動模型和基本特性　2.1 引言　2.2 結構振動與分析模型　　2.2.1 結構振動基本問題一振動分析和動態(tài)設計　　2.2.2 模型類型和建模方法　　2.2.3 結構振動問題減縮建模問題　2.3 失諧葉盤振動基本分析模型　2.4 失諧葉盤結構振動減縮模型建模方法　　2.4.1 經典模態(tài)減縮模型建模方法　　2.4.2 基于子結構分解的模態(tài)減縮建模方法　　2.4.3 改進的經典模態(tài)減縮建模方法　　2.4.4 基于子結構分解的傳遞函數模型建模方法　2.5 失諧模擬和葉盤減縮建模的若干問題　　2.5.1 失諧形式與模擬　　2.5.2 減縮建模涉及的主要問題　2.6 失諧葉盤振動局部化因子　　2.6.1 振動模態(tài)局部化因子　　2.6.2 失諧振動響應局部化因子　　2.6.3 隨機失諧問題局部化因子　2.7 基于集中參數模型的隨機失諧葉盤概率振動特性　　2.7.1 模型、諧調振動特性和失諧參數　　2.7.2 隨機失諧葉盤結構固有頻率概率特性　　2.7.3 隨機失諧葉盤結構模態(tài)振型概率特性　　2.7.4 隨機失諧葉盤結構振動響應概率特性　2.8 典型葉盤結構失諧振動模態(tài)局部化分析　　2.8.1 諧調葉盤結構模態(tài)特性　　2.8.2 葉盤結構諧波失諧模擬和模態(tài)局部化特性　　2.8.3 錯頻葉盤結構失諧模擬和模態(tài)局部化特性　　2.8.4 隨機失諧模擬和概率模態(tài)局部化特性　2.9 基于振型節(jié)徑譜的葉盤結構失諧機理　　2.9.1 振型節(jié)徑譜與模態(tài)激勵　　2.9.2 典型葉盤模態(tài)振型節(jié)徑譜第3章 經典模態(tài)減縮建模方法　3.1 引言　3.2 基本理論　3.3 基于旋轉周期對稱描述的失諧矩陣　3.4 失諧與葉片頻率偏離　3.5 自由振動減縮模型的簡化形式　3.6 典型實例分析與研究　　3.6.1 簡化短葉片葉盤結構振動模態(tài)和振動響應　　3.6.2 簡化長葉片葉盤結構振動模態(tài)和振動響應　　3.6.3 工程葉盤結構的振動模態(tài)和振動響應　3.7 基于FMM方法的瞬態(tài)響應分析　3.8 SNM和FMM方法的主要特點第4章 固定界面子結構模態(tài)減縮建模方法　4.1 引言　4.2 葉盤結構的固定界面子結構分解　4.3 輪盤子結構旋轉周期對稱理論　4.4 葉盤結構C-B減縮模型　　4.4.1 葉片子結構C-B模型　　4.4.2 輪盤子結構C-B模型　　4.4.3 葉盤結構C-B減縮模型　4.5 改進固定界面子結構模態(tài)減縮模型　　4.5.1 改進固定界面子結構模態(tài)減縮原理　　4.5.2 無凸肩葉盤結構減縮模型　　4.5.3 有凸肩葉盤結構減縮原理　　4.5.4 具有凸肩葉片的失諧模擬　　4.5.5 有凸肩葉盤結構減縮模型第5章 雜交界面子結構模態(tài)減縮方法第6章 改進經典模態(tài)減縮建模方法第7章 基于傳遞函數描述的減縮方法第8章 多級葉盤轉子結構減縮模型與應用第9章 失諧葉盤轉子氣彈耦合減縮模型與應用第10章 基于減縮模型的失諧參數識別方法參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：8.失諧識別問題研究失諧葉盤結構振動反問題之一是失諧識別問題。對于整體葉盤結構，制造過程可以由失諧識別確定制造誤差，使用過程則可以由失諧識別判定葉盤的損傷和故障。因此，失諧的識別是非常重要的，近年來受到廣泛關注。這方面的研究包括基于集中參數模型的識別方法和第10章討論的基于有限元減縮模型的系統模態(tài)減縮、子結構模態(tài)減縮識別技術等。1）基于集中參數模型的識別方法。1997年，文獻[198]最先較系統地研究了失諧葉盤結構的參數識別問題。其基于單自由度扇區(qū)集中參數模型，利用穩(wěn)態(tài)強迫響應模擬測量值對葉盤結構模型參數進行預測。文章首先對利用此數據進行傳統參數識別最小二乘法和極大似然法的適用性進行了分析和評定，然后提出了混合最小二乘一極大似然（MixedLeast Squares-Maxinum Likelihood）識別方法。方法結合了最小二乘法的計算優(yōu)勢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數據中獲得較好參數識別。2001年，文獻[199，200]也基于集中參數模型進行了葉片質量、剛度、固有頻率，模態(tài)振型及其統計分布等的識別研究。研究中假定各葉片最低幾階固有頻率已由實驗測量獲得。由于實際測得的固有頻率階數總是要少于待識別的未知數，因此識別問題是不確定性問題。

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《航空發(fā)動機失諧葉盤震動減縮模型與應用》是國內外第一本較為系統總結和全面闡述20世紀90年代以來國內外（包括作者自己研究的）基于各種減縮模擬原理的各類失諧葉盤振動分析建模理論、方法與應用方面的專門論著。全書共10章，第1章說明了失諧葉盤結構振動問題的局部化現象、基本問題和研究進展等；第2章討論工程結構和失諧葉盤結構振動分析模擬基本原理和基本特性；第3章和第6章分別討論基于經典模態(tài)減縮和改進經典模態(tài)減縮的建模方法；第4章和第5章分別說明基于子結構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章是基于傳遞函數描述的減縮建模方法；第8章討論多級葉盤轉子失諧振動減縮模型和特性分析；第9章介紹失諧葉盤轉子氣彈耦合減縮模型與應用；第10章說明了基于減縮模型的單級和多級葉盤轉子失諧參數識別的多種方法。

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