失谐叶片轮盘的减缩建模方法及动力特性研究
由于失谐的存在，导致叶盘圆周对称特性丧失，必须采用叶盘的整体有限元模型进行分析。而该模型通常规模巨大，加上失谐为随机不确定性问题，分析时常用到Monte-Carlo模拟，使得其对计算资源的消耗达到了令人无法容忍的地步。为提高高保真叶盘模型的计算效率，本文提出了一种新的失谐叶盘减缩建模及动力响应预测方法。该方法对叶盘单扇区有限元模型进行圆周对称分析，获取谐调叶盘在局部坐标系下的基本模态特性。同时，运用“主节点”的概念，仅对少量节点进行模态分析，在大大降低矩阵维度的同时获取准确的失谐模态特性。在动力响应预测分析时，利用失谐固有频率点处响应的基本特性，仅选取危险频段内、危险叶片上的危险节点进行响应分析计算，既极大地提高了运算效率，又能够准确地获取叶盘最大受迫响应幅值。本文实例分析结果表明：相较于传统的有限元方法，该方法中模态分析的求逆过程矩阵维度从150万下降到384，计算所得的前50阶固有频率的精度保持在0.005％以内，最大响应计算过程运算量下降超过99%时，仅存在-0.35%的误差。 本文以某压气机高保真叶盘模型为例，采用失谐叶盘减缩建模方法，对不同阶次激励下的随机失谐叶盘响应特性进行了统计分析。研究表明，叶盘最大响应随着随机失谐值的增加先急剧增加，然后下降并趋于稳定，表现出“阀值”效应。将失谐作为设计参数，本文研究讨论了常见的主动失谐叶盘的响应特性，发现一些主动失谐叶盘不但相较于同等失谐程度的随机失谐叶盘具有更小的响应幅值，而且对随机失谐具有较好的鲁棒性。为提高研究的实用性和现实指导意义，考虑到转子叶片所受的气流激振力的高频特性，着重探究了叶片高阶模态振动的响应特性，研究结果显示，高阶模态对失谐更为敏感，通常会产生非常大的幅值放大因子，对叶片的安全性带了巨大的考验。此外，为解决传统减缩建模方法无法快速求出失谐叶盘应力应变的问题，本文提出了一套新的失谐应力应变计算方法，该方法仅需对单扇区叶盘模型进行分析，就可获取失谐叶盘的应力应变特性。最后，推导提出了叶盘最大响应对各个叶片频率失谐值的一、二阶灵敏度的计算公式，并简单探讨了其在统计不确定性分析中的应用。
航空发动机;叶片轮盘;主动失谐;应力应变
南京航空航天大学
硕士
航空宇航推进理论与工程
臧朝平
2014
中文
V232.4;V231.3
81
2016-03-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）