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叶片是航空发动机的重要组成部分,对发动机的安全性和可靠性影响重大。叶片通常处于复杂严酷的工作环境下,是发动机研制和使用过程中故障率最高的一类零件。特别是转子叶片在高速转动时受到离心惯性力和非定常气动力作用,加上振动的交变载荷,容易出现疲劳裂纹,当裂纹扩展至一定程度叶片将会折断造成严重的事故。因此了解叶片工作时的振动特性是航空发动机设计、生产和使用中十分重要的课题。以往对叶片振动特性的分析一般采用简单的动力模型,考虑的载荷条件相对单一。然而随着发动机的推重比的提高,叶片负荷越来越高,面对的工作环境也愈来愈苛刻,传统方法已经不能有效地对叶片振动特性进行分析。因此,研究复杂环境下的叶片振动特性分析有着十分重要的理论及现实意义。 本文进行了旋转叶片的多载荷环境下叶片振动特性若干关键问题的研究。具体研究内容如下: (1)为准确获得叶片表面气动激励的分布,本文利用单向和双向流固耦合对压气机叶片进行气动分析,比较了不同流固耦合计算方法的结果,分析了湍流模型对计算结果的影响。在此基础上研究了叶片表面气动载荷的分布,建立了由主激振力、多阶谐波激振力和多阶频率成分构成的气动载荷规律函数。综合考虑计算成本并为保证边界条件的准确性,本文在叶片表面选择适量的监测点,根据实际流体域计算结果建立的气动载荷规律函数,提出一种改进的单向耦合方法,解决了叶片上气动激励提取的问题。 (2)应用参数空间插值的方法,将流体域和结构域耦合界面的网格投影到参数空间上,采用改进的搜索理论和多项式插值函数来传递交界面上的气动载荷,解决了流体域和结构域网格不一致问题。从而实现将气动载荷规律函数加载到叶片结构域有限元模型上,作为叶片振动的气动边界条件,解决了叶片上气动激励加载的问题。 (3)分析了多转速下叶片表面气动载荷的变化规律,推导并修正气动载荷规律函数,在此基础上通过插值建立多转速下的气动载荷数据库,并比较了仿真计算和插值得到的气动载荷,结果一致,说明该方法可行。若在实际工程中应用,可以脱离流体域的计算过程,直接用数据库进行加载,为不同转速下叶片振动分析提供了便利条件。 (4)在转子-轴承-盘片有限元模型中利用谐波平衡参数识别方法识别边界参数。推导了非线性滑动轴承和滚动轴承的边界识别方法;提出了利用参数识别理论建立局部非线性结构,讨论了局部非线性系统边界参数的识别,简化了转子-轴承系统的局部建模;给出了转子-轴承系统和局部结构下叶片根部约束边界的识别方法,解决了叶片根部边界条件确定的问题。 (5)建立了叶片-机匣碰摩模型、气动力模型和边界约束模型,计算了叶片在多种载荷激励下的动态响应,研究了多种载荷工况对叶片振动特性的影响。叶片在多载荷作用下,呈多倍频周期性振动,与单一载荷相比,频率成分复杂,倍频增加;碰摩激励所引起的振动频率的幅值远大于气动激励下的振动频率幅值;在稳定工况下,叶片在受离心力、碰摩力和气动力共同作用时,叶片振动频率的主导因素为碰摩和离心作用,变形和应力分布主要受气动激励影响。