涡轮叶片缘板阻尼效果仿真分析方法、涡轮及航空发动机技术

本申请提供了一种涡轮叶片缘板阻尼减振效果仿真分析方法、涡轮及航空发动机，所述方法包括：构建涡轮叶片与缘板阻尼器的非线性静力学分析模型，通过非线性静力学分析模型及叶片几何特性和边界条件开展涡轮叶片的非线性静力学分析和约束模态分析得到力学参数数据；构建带干摩擦阻尼减振系统的振动响应非线性微分方程，根据接触刚度和法向应力及所述力学参数开展非线性响应分析，获得包括涡轮叶片的振动位移响应和外部激振力及接触面非线性摩擦力的关键参数；通过谐波平衡法构建包含涡轮叶片的振动位移响应和外部激振力的非线性代数方程，通过所述非线性代数方程求解得到非线性微分方程的振动位移响应和外部激振力，实现对阻尼减振效果的评价。对阻尼减振效果的评价。对阻尼减振效果的评价。

【技术实现步骤摘要】
涡轮叶片缘板阻尼效果仿真分析方法、涡轮及航空发动机


[0001]本申请属于航空发动机
，特别涉及一种涡轮叶片缘板阻尼效果仿真分析方法、涡轮及航空发动机。

技术介绍

[0002]在燃气涡轮发动机中，涡轮叶片作为热端关建重要件，一直是反映发动机先进水平的重要指标之一，同时也是制约发动机寿命可靠性的关键因素。涡轮叶片所处复杂的流体
‑
固体
‑
热耦合环境中，来流的激振因素容易激起涡轮叶片振动，诱发高周疲劳失效，因此，如何有效的为涡轮叶片减振成为工程设计中亟待解决的问题。由于涡轮叶片所处环境恶劣，能够开展的有效测试手段有限，且成本高昂，发展一种实用的涡轮叶片缘板阻尼减振效果仿真分析方法对提高涡轮叶片减振设计能力、提升抗高周疲劳能力，进一步提升发动机使用寿命和可靠性具有重大意义。
[0003]现有技术中对于涡轮叶片前缘阻尼减震方面主要集中在阻尼的复杂力学本构上，例如《基于整体
‑
局部统一滑动模型的叶片缘板阻尼器减振特性分析》中通过在干摩擦接触面引入弹性塑料剪切层来模拟摩擦接触，建立了整体
‑
局部统一滑动摩擦模型，该方法抽象的方程参数忽略了缘板阻尼
‑
叶片系统的结构特性，无法涵盖关键设计要素；采用能量法结合流固耦合方法求解带缘板阻尼器作用下的叶片振动响应过于复杂，求解效率低，无法在工程中应用和推广。

技术实现思路

[0004]本申请的目的是提供了一种涡轮叶片缘板阻尼减振仿真分析方法、涡轮及航空发动机，以解决当前无法准确获取缘板阻尼器减振效果的问题。或减轻
技术介绍
中的至少一个问题。
[0005]第一方面，本申请的技术方案是：一种涡轮叶片缘板阻尼减振效果仿真分析方法，包括：
[0006]构建涡轮叶片与缘板阻尼器的叶片
‑
阻尼减振系统的非线性静力学分析模型，通过所述非线性静力学分析模型及叶片几何特性和边界条件开展涡轮叶片的非线性静力学分析和约束模态分析，得到非线性响应分析所需的力学参数数据，所述力学参数数据包括固有频率数据和模态数据；
[0007]构建带干摩擦阻尼减振系统的振动响应非线性微分方程，根据接触刚度和法向应力及所述力学参数开展非线性响应分析，获得包括涡轮叶片的振动位移响应和外部激振力及接触面非线性摩擦力的关键参数；
[0008]通过谐波平衡法构建包含涡轮叶片的振动位移响应和外部激振力的非线性代数方程，通过所述非线性代数方程求解得到非线性微分方程的振动位移响应和外部激振力，从而实现对阻尼减振效果的直观显示和有效评价。
[0009]进一步的，构建带干摩擦阻尼减振系统的振动响应非线性微分方程的过程为：
[0010]对于涡轮叶片与缘板阻尼器构成的减震结构，缘板阻尼器通过干摩擦力与涡轮叶片形成阻尼
‑
叶片减振系统，当外部激励是简谐振动时，位移和由位移变化而产生的非线性摩擦力也是周期性的，能够通过傅里叶变换准确描述，即：
[0011]变化的法向正压力是初始正压力和振动产生的周期力分量之和，在t时刻法向正压力f
n
(t)可表示为：
[0012]式中，f
n
(0)为初始正压力，k
n
为法向接触刚度，
△
z
’
为法相位移；
[0013]t时刻粘
‑
滑摩擦力f
d
(t)可表示为：
[0014]式中，k
d
为xxx，
△
d
’
为切向位移，ζ为修正系数，μ为摩擦系数；
[0015]由此，带干摩擦阻尼减振系统的振动响应非线性微分方程表示为：
[0016][0017]式中：M、C和K分别表示涡轮叶片的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，即步骤一中得到的力学参数数据；
[0018]q(t)表示t时刻涡轮叶片自由度的振动位移响应，表示加速度，表示速度；
[0019]P
F
(t)表示t时刻涡轮叶片受到的周期性外部激振力；
[0020]f(t)表示t时刻接触面上的非线性摩擦力。
[0021]进一步的，通过谐波平衡法构建包含涡轮叶片的振动位移响应和外部激振力的非线性代数方程的过程为：
[0022]外部激振力P
F
(t)、振动位移响应q(t)分别表示成傅立叶级数形式：
[0023][0024][0025]式中，ω为激振力的基频；
[0026]P
F,0
为初始激振力，为激振力余弦分量，为激振力正弦分量；
[0027]Q0为初始位移，为位移余弦分量，为位移正弦分量；
[0028]h为谐波次数；
[0029]H为计算中考虑的最大谐波次数；
[0030]表示外部激振力的谐波分量，T表矩阵转置，为外部激振力余弦分量，为外部激振力正弦分量；
[0031]表示振动位移响应的谐波分量，为振动位移余弦分
量，为振动位移正弦分量；
[0032]接触面上的非线性摩擦力f(t)表示成傅立叶级数形式：
[0033][0034]式中：表示接触面接触力的谐波分量；
[0035]F0为初始接触力，为接触力余弦分量，为接触力正弦分量。
[0036]根据法向正压力及粘
‑
滑摩擦力与谐波平衡法得到接触面接触力的谐波分量：
[0037][0038]式中：F
d
为切向接触力；
[0039]F
n
为法向接触力；
[0040]num表示一个振动周期内接触面接触状态的转换次数；
[0041]表示t时刻谐波平衡法转换矩阵；
[0042]f
d
为摩擦力；
[0043]f
n
为正压力；
[0044]J
d(j)
和J
nj
分别表示切向摩擦力和法向正压力的积分项，由法向正压力及粘
‑
滑摩擦力通过积分得到：
[0045][0046][0047]式中：Wj粘滞滑移系数，
[0048]H
‑
(t)＝{1，cosωt，sinωt，......cos Hωt，sin Hωt}
T
表示谐波平衡法逆转换矩阵
[0049]ΔD
′
为切向滑移分量；
[0050]cj为j阶阻尼，cj为j阶阻尼，为xxx；
[0051]wj为接触系数，
[0052]ΔZ
′
为法相位移分量；
[0053]通过对带干摩擦阻尼减振结构的叶片
‑
阻尼减振系统进行模态分析，得到叶片
‑
阻尼减振系统的固有频率、相应的模态振型及其余模态参数，从而获得叶片
‑
阻尼减振系统的
柔度系数矩阵R(ω)，ω为激振力的基频；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡轮叶片缘板阻尼减振效果仿真分析方法，其特征在于，包括：构建涡轮叶片与缘板阻尼器的叶片
‑
阻尼减振系统的非线性静力学分析模型，通过所述非线性静力学分析模型及叶片几何特性和边界条件开展涡轮叶片的非线性静力学分析和约束模态分析，得到非线性响应分析所需的力学参数数据，所述力学参数数据包括固有频率数据和模态数据；构建带干摩擦阻尼减振系统的振动响应非线性微分方程，根据接触刚度和法向应力及所述力学参数开展非线性响应分析，获得包括涡轮叶片的振动位移响应和外部激振力及接触面非线性摩擦力的关键参数；通过谐波平衡法构建包含涡轮叶片的振动位移响应和外部激振力的非线性代数方程，通过所述非线性代数方程求解得到非线性微分方程的振动位移响应和外部激振力，从而实现对阻尼减振效果的直观显示和有效评价。2.如权利要求1所述的涡轮叶片缘板阻尼效果仿真分析方法，其特征在于，构建带干摩擦阻尼减振系统的振动响应非线性微分方程的过程为：对于涡轮叶片与缘板阻尼器构成的减震结构，缘板阻尼器通过干摩擦力与涡轮叶片形成阻尼
‑
叶片减振系统，当外部激励是简谐振动时，位移和由位移变化而产生的非线性摩擦力也是周期性的，能够通过傅里叶变换准确描述，即：变化的法向正压力是初始正压力和振动产生的周期力分量之和，在t时刻法向正压力f
n
(t)可表示为：式中，f
n
(0)为初始正压力，k
n
为法向接触刚度，Δz
′
为法相位移；t时刻粘
‑
滑摩擦力f
d
(t)可表示为：式中，k
d
为切向刚度，
△
d
’
为切向位移，ζ为修正系数，μ为摩擦系数；由此，带干摩擦阻尼减振系统的振动响应非线性微分方程表示为：式中：M、C和K分别表示涡轮叶片的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，即步骤一中得到的力学参数数据；q(t)表示t时刻涡轮叶片自由度的振动位移响应，表示加速度，表示速度；P
F
(t)表示t时刻涡轮叶片受到的周期性外部激振力；f(t)表示t时刻接触面上的非线性摩擦力。3.如权利要求2所述的涡轮叶片缘板阻尼效果仿真分析方法，其特征在于，通过谐波平衡法构建包含涡轮叶片的振动位移响应和外部激振力的非线性代数方程的过程为：外部激振力P
F
(t)、振动位移响应q(t)分别表示成傅立叶级数形式：
式中，ω为激振力的基频；P
F,0
为初始激振力，为激振力余弦分量，为激振力正弦分量；Q0为初始位移，为位移余弦分量，为位移正弦分量；h为谐波次数；H为计算中考虑的最大谐波次数；表示外部激振力的谐波分量，T表矩阵转置，为外部激振力余弦分量，为外部激振力正弦分量；表示振动位移响应的谐波分量，为振动位移余弦分量，为振动位移正弦分量；接触面上的非线性摩擦力f(t)表示成傅立叶级数形式：式中：表示接触面接触力的谐...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴云伍，李莹，李佳，刘一雄，陈育志，韩方军，
申请(专利权)人：中国航发沈阳发动机研究所，
类型：发明
国别省市：