旋轉(zhuǎn)柔性帶冠葉片碰撞振動特征研究.pdf

1、旋轉(zhuǎn)柔性葉片是在高速旋轉(zhuǎn)機械中,將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的重要裝置之一。為避免由于振動問題而造成的葉片失效,工程中常采用為葉片加裝葉冠裝置,通過葉冠之間的碰撞和摩擦作用消耗振動能量,從而達到減緩旋轉(zhuǎn)柔性葉片振動的目的。由于柔性葉片的高速旋轉(zhuǎn),以及葉冠間的接觸碰撞等因素,使其動力學系統(tǒng)具有動力剛化和非光滑特性,其非線性動力學行為十分復雜,常有叉形分岔、擦邊分岔、倍周期分岔、陣發(fā)性混沌運動等夾雜發(fā)生的現(xiàn)象。這些因素對分析旋轉(zhuǎn)柔性帶冠葉片的碰撞減振

2、機理和探索動力學行為及其演變規(guī)律提出了更高的要求。本文考慮高速旋轉(zhuǎn)運動與帶冠葉片彈性振動的強耦合關系,結(jié)合非光滑動力系統(tǒng)的分析方法對旋轉(zhuǎn)柔性帶冠葉片的碰撞振動機理開展研究,具體內(nèi)容包括:
　　結(jié)合帶冠葉片所處的高速旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài),計及動力剛化的影響,建立柔性旋轉(zhuǎn)帶冠葉片的動力學模型。應用Frobenius方法推導出受動力剛化影響的旋轉(zhuǎn)帶冠葉片橫向振動的動頻及動態(tài)振型函數(shù)的表達式,并證明了所得模態(tài)函數(shù)的正交性。結(jié)合這種模態(tài)函數(shù),利用G

3、alerkin方法對偏微分動力學方程進行離散,提出一種計算動態(tài)接觸剛度的方法,并應用平均法計算尾流激勵下旋轉(zhuǎn)帶冠葉片的碰撞振動主共振響應。將相鄰葉冠間隙、激勵力幅值、葉片寬度、厚度和長度作為可調(diào)參數(shù),分析系統(tǒng)的非線性現(xiàn)象,研究旋轉(zhuǎn)帶冠葉片的碰撞減振機理以及結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對碰撞振動問題的影響。
　　考慮葉冠間隙非對稱的情況,將葉冠質(zhì)量對旋轉(zhuǎn)柔性葉片固有特性的影響等效到邊界條件中,研究動力剛化作用下的動頻及相應的模態(tài)和動態(tài)接觸剛度。采用

4、近似解析方法求解非對稱間隙旋轉(zhuǎn)帶冠葉片在主共振、亞諧波共振和超諧波共振情況下的非線性動力學響應,分析非對稱間隙比等結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對系統(tǒng)幅頻特性的影響規(guī)律,研究非對稱間隙情況下旋轉(zhuǎn)柔性帶冠葉片的非線性動力學特性及碰撞減振機理。隨后探討了非對稱間隙的參數(shù)設計對帶冠葉片減振性能的影響。
　　根據(jù)旋轉(zhuǎn)帶冠葉片的動力學模型,采用與取前三階模態(tài)進行離散的結(jié)果對比的方法,給出僅取最低階模態(tài)離散的適用范圍和精確程度。然后結(jié)合Floquet理論,獲取

5、系統(tǒng)特征值的解析表達式,提出一種帶冠葉片碰撞振動系統(tǒng)的周期運動穩(wěn)定性判定方法,進而對帶冠葉片碰撞振動系統(tǒng)擦邊分岔臨界值的解析解法進行研究。數(shù)值仿真結(jié)果用于分析系統(tǒng)周期運動的擦邊分岔、叉式分岔、倍周期分岔與混沌現(xiàn)象等,并研究了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、相鄰葉冠間隙等系統(tǒng)參數(shù)變化時對周期解穩(wěn)定性造成的影響。
　　考慮到帶冠葉片需要成組工作才能完成熱能轉(zhuǎn)化為機械能的任務,因此建立了成組帶冠葉片的動力學模型,應用動量法來描述葉冠間的相互作用,并選取成組葉