硬涂层整体叶盘复合结构有限元建模与振动特性分析

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为满足航空发动机日益增强的性能要求,整体叶盘结构得到的越来越广泛的应用。与传统榫根、榫槽等装置连接的叶片、轮盘相比,整体叶盘结构可以获得更大的推重比以及更高的服役效率,但是由于结构较为“轻柔”,阻尼较小,因此次在工作过程中会出现各种各样的振动问题,制约着发动机的使用寿命。硬涂层作为一种新型的阻尼材料,因其良好的使用性能,可以将其应用到整体叶盘结构上,对振动问题进行控制。本文针对硬涂层整体叶盘复合结构(以下简称“复合结构”),建立了三维有限元模型,并以此为基础进行了相关振动问题的分析。主要研究内容如下:(1)针对真实叶盘试验件,建立了其高保真三维有限元分析模型并进行了相关的实验验证。首先,基于全尺寸模型,对有限元的建模过程进行了介绍;然后,通过悬臂边界的涂层-钛板结构模态试验,进行了涂层方案的选择;接着,在全尺寸模型的基础上,对复合结构进行了 CMS减缩建模,在保证精度的基础上显著提高了求解效率;最后,通过实验与仿真对比,说明了所建立的硬涂层整体叶盘有限元模型的合理性。(2)对于谐调的整体叶盘结构,在振动过程中会出现频率转向现象,复合结构在频率转向区的振动行为会发生变化,本部分主要针对循环对称结构频率转向和相关问题进行了研究。基于循环对称分析理论,给出了具体求解频率转向曲线的方法,并进行了相关的实例分析,确定频率转向区的具体位置。通过改变硬涂层参数(包括涂层厚度、涂层的弹性模量)和叶盘结构属性(叶片展弦比、盘片耦合强度),分析了频率转向曲线的变化规律。(3)为了研究硬涂层对失谐叶盘振动特性的影响,需要对失谐前后整体叶盘的振动特性进行分析。首先,介绍了求解失谐结构固有频率和振动响应的基本理论;然后建立了不同标准差下叶片刚度随机失谐的有限元模型,进行了失谐前后相关振动特性的求解;最后,计算并说明了硬涂层对整体叶盘振动特性的具体影响。(4)在工程实际中,整体叶盘结构往往服役于高速旋转状态,因此有必要对旋转态下的振动特性进行分析。本部分首先对旋转状态下的固有频率计算方法进行了说明;然后基于所建立的有限元模型,分别分析了三种不同情况下(单独考虑离心力和科氏力、同时考虑离心力和科氏力)复合结构模态特性的变化规律;最后,分析了旋转态下复合结构的频率转向变化规律。本文创建了可以定量地对涂层前后叶盘结构的振动特性进行评价的三维高保真有限元模型,相关的研究结果可以为整体叶盘的振动特性的进一步分析以及涂层减振的相关设计提供指导和参考。
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