航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣模型的若干動力學(xué)特性研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、機(jī)匣是連接航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和定子系統(tǒng)的橋梁和紐帶,發(fā)動機(jī)的推力通過機(jī)匣傳遞到飛機(jī)上,因此,機(jī)匣既是發(fā)動機(jī)的重要承力部件,又是整個(gè)發(fā)動機(jī)的基座,在整個(gè)航空發(fā)動機(jī)的研究設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的地位?,F(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)在低質(zhì)量、高推重比的要求下,機(jī)匣系統(tǒng)逐漸發(fā)展為薄壁圓柱殼結(jié)構(gòu),而機(jī)匣的薄壁結(jié)構(gòu)在發(fā)動機(jī)復(fù)雜載荷作用下,振動問題異常突出。值得關(guān)注的是,目前對機(jī)匣振動特性的研究多集中在完整機(jī)匣及單一材料機(jī)匣等方面,對故障(裂紋)機(jī)匣和復(fù)合材料機(jī)匣的

2、研究較少,而從理論方面對裂紋機(jī)匣和復(fù)合材料機(jī)匣的動力學(xué)行為進(jìn)行的研究就更少了。因此,廣泛深入的開展裂紋機(jī)匣和復(fù)合材料機(jī)匣的動力學(xué)特性研究(尤其是理論研究),具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
  本文通過解析分析與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的手段,對機(jī)匣系統(tǒng)進(jìn)行了理論建模和動力學(xué)分析,研究了機(jī)匣振動問題的高發(fā)處-風(fēng)扇機(jī)匣在復(fù)雜氣流激勵(lì)載荷作用下振動的分岔特性;以層壓復(fù)合材料機(jī)匣和正交各向異性材料機(jī)匣為例,分別研究了典型復(fù)合材料機(jī)匣的運(yùn)動穩(wěn)定性和彈

3、性屈曲問題;以含環(huán)向表面裂紋的機(jī)匣為例,對典型故障機(jī)匣-裂紋機(jī)匣的振型特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析。具體研究內(nèi)容及取得的主要成果如下:
  根據(jù)航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣的實(shí)際安裝方式及薄壁結(jié)構(gòu)的幾何特征,建立了機(jī)匣振動問題的高發(fā)部位風(fēng)扇機(jī)匣的薄壁圓柱殼模型,并應(yīng)用奇異性分析的方法,從非線性動力學(xué)角度對其振動特性和分岔特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:系統(tǒng)固有頻率受結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)徑長比(R/L)和厚徑比(h/R)的影響顯著;奇異性分析表明在特定的開折參數(shù)下,系

4、統(tǒng)振動出現(xiàn)了分岔、滯后等不同的現(xiàn)象;最后根據(jù)激勵(lì)頻率和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的倍數(shù)關(guān)系,給出了共振頻率的滯后區(qū)間對應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速范圍,并研究了系統(tǒng)振動頻率發(fā)生在滯后區(qū)間時(shí)對機(jī)匣可裂可能性的影響。
  以雙模態(tài)位移解為例,探討了單模態(tài)位移解和多模態(tài)位移解的適用范圍,分析了單、雙模態(tài)位移之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律,并應(yīng)用雙模態(tài)位移解分析了機(jī)匣在徑向簡諧激勵(lì)作用下的穩(wěn)定性。研究表明:在激勵(lì)載荷較小的情況下,相對于多模態(tài)位移,應(yīng)用單模態(tài)位移求解系統(tǒng)的動力學(xué)問題既能滿

5、足精度要求又可以簡化計(jì)算,隨著激勵(lì)載荷的增大,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)雙模態(tài)位移或多模態(tài)位移時(shí),應(yīng)用雙模態(tài)或多模態(tài)位移求解問題精度較高且更合理;數(shù)值模擬結(jié)果表明:隨著激勵(lì)載荷的變化,第一階模態(tài)位移解中出現(xiàn)了穩(wěn)定的周期運(yùn)動和復(fù)雜的混沌運(yùn)動。
  基于Donnell’s非線性薄殼理論,建立了層壓復(fù)合材料機(jī)匣的動力學(xué)模型,并采用雙模態(tài)位移解對其振動特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:較單一材料機(jī)匣,機(jī)匣內(nèi)外層材料厚度的不同,對單、雙態(tài)模態(tài)位移解對應(yīng)的激勵(lì)載荷區(qū)

6、間有顯著影響;不同的內(nèi)外層材料厚度下,單、雙模態(tài)位移在轉(zhuǎn)換過程中有不同的規(guī)律,在某些特定的材料厚度下,單、雙模態(tài)位移在轉(zhuǎn)換過程中會出現(xiàn)分岔、突跳等不同的現(xiàn)象。
  徑向內(nèi)壓作用下正交各向異性材料機(jī)匣的彈性穩(wěn)定性分析表明:在強(qiáng)度允許的范圍內(nèi),徑向內(nèi)壓的存在、機(jī)匣厚度的增加、軸向彈性模量和周向彈性模量的增大均能夠提高機(jī)匣抵抗軸向失穩(wěn)的能力;徑向內(nèi)壓的存在,改變了機(jī)匣材料的“剛度”,提高了機(jī)匣的“共振頻率”;另外,由于各階振型的相互耦合

7、,出現(xiàn)了系統(tǒng)的固有頻率點(diǎn)和共振曲線的峰值存在微小偏差的現(xiàn)象。
  根據(jù)機(jī)匣裂紋的實(shí)際形式,建立了含環(huán)向表面裂紋機(jī)匣的動力學(xué)模型,提出了以裂紋截面為分界面,分段設(shè)解再聯(lián)合求解的思路,在裂紋區(qū)域引入位移協(xié)調(diào)法,詳細(xì)的研究了裂紋位置、裂紋深度、軸向振型階數(shù)對裂紋機(jī)匣的振型特征的影響。結(jié)果表明:軸向彎矩對系統(tǒng)局部柔度的影響最大,是引起裂紋機(jī)匣振動加劇的主要因素;總的來說,裂紋出現(xiàn)在振型峰值處附近時(shí)對系統(tǒng)振型的影響最大,但并不是絕對峰值點(diǎn);

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