榫头--榫槽配合参数对旋转叶片的动态响应特性研究

摘要

航空发动机、涡轮机及汽轮机等叶轮机械是继蒸汽轮机和内燃机之后的新一代动力装置，体现了一个国家的综合实力，对保护国防与能源安全、改善能源结构以及实现环境可持续发展具有重要意义。由于航空发动机、涡轮机及汽轮机要在极其恶劣的环境中长期反复运行，因此，它的研制必须要有很强的设计水平和加工制造能力。据统计大部分叶轮机械的故障都是由叶片引起的，而且叶轮机械在大型器械中往往处于重要或关键的位置，一旦其发生故障或者失去稳定性，会造成十分严重的危害，往往会导致大量经济损失，有时甚至会造成人员伤亡或者产生难以估计和弥补的社会危害。叶轮机械中榫连结构应用相当广泛，由于叶片始终承受着复杂的载荷作用，使榫连结构部分容易产生较严重的应力集中，因此，榫连结构成为燃气轮机故障多发的环节之一。本文以榫连叶盘耦合模型为对象，重点对旋转态叶片的非线性动态特性以及振动响应特性展开了研究，论文的主要研究内容包括: (1)首先，本文建立了考虑榫连结构接触的轮盘叶片及有限元模型，求解了叶片-轮盘系统榫连模型的接触压力和滑移距离的情况，并与文献对比，验证了模型的可靠性，接着，采用模态分析方法进行榫头榫槽结构参数、配合参数、加工误差对旋转叶片动态特性影响的分析，最后，应用得到相关结论，采用谐响应分析方法，进一步研究了考虑榫连叶盘系统的结构参数、配合参数、加工误差对旋转叶片的频响研究特性。 (2)其次，采用有限元方法，应用梁单元建立了榫连叶片的动力学模型，应用双线性迟滞干摩擦模型对叶片根部施加约束，研究了滑移极限、激励幅值、摩阻器刚度等对对榫连叶片的振动响应;接着，通过对比不同摩阻器个数干摩擦模型的迟滞回线、振动响应情况得到了优化的干摩擦模型;最后，采用优化的干摩擦模型，考虑外激励对榫连叶片的振动响应规律进行研究。 (3)最后，本文建立了考虑榫连结构接触的轮盘叶片二维有限元模型，通过与第三章的固有特性结果对比，验证了该模型的可靠性。接着，采用有限元瞬态分析方法，考虑榫头榫槽接触面间隙和摩擦非线性因素研究旋转叶片非线性响应情况。最后，通过改变外激励幅值、摩擦系数和接触刚度，研究装配因素对旋转叶片的振动响应影响规律。

目录

论文说明

声明

摘要

1．1研究背景和意义

1．2国内外研究现状

1．2．1旋转榫连叶片接触特性及固有特性研究现状

1．2．2考虑干摩擦旋转榫连叶片振动响应分析研究现状

1．2．3装配因素对旋转叶片非线性振动响应分析研究现状

1．3本文的主要内容

2．1引言

2．2接触单元的基本理论

2．2．1接触刚度

2．2．2摩擦模型

2．2．3接触算法

2．2．4典型接触单元介绍

2．2．5接触特性分析

2．3干摩擦阻尼基本理论

2．3．1干摩擦阻尼模型

2．3．2干摩擦阻尼模型的有限元仿真

2．4转动结构动力学基本理论

2．4．1转动结构动力学概述

2．4．2有预应力模态分析

2．4．3有预应力瞬态分析

2．4本章小结

第3章榫头榫槽配合参数对旋转叶片的动态特性和频响研究

3．1引言

3．2轮盘叶片有限元模型建立及试算

3．3榫头榫槽旋转叶片模型验证

3．4配合参数及状态对旋转叶片固有特性的影响规律

3．4．1结构参数对旋转叶片的固有特性影响

3．4．2配合参数对旋转叶片固有特性的影响

3．4．3加工误差对旋转叶片的固有特性影响

3．5考虑榫头榫槽配合参数及状态旋转叶片的振动响应规律

3．5．1结构参数对旋转叶片的振动响应规律

3．5．2配合参数对旋转叶片的振动响应规律

3．5．3加工误差对旋转叶片的振动响应规律

3．6本章小结

第4章干摩擦配合参数对旋转叶片的振动响应分析

4．1引言

4．2轮盘-叶片有限元简化模型

4．3干摩擦对旋转叶片的振动影响

4．3．1滑移极限对叶片振动响应的影响

4．3．2外激励对叶片振动的影响

4．3．3摩阻器刚度对旋转叶片的振动影响

4．4含有不同摩擦阻尼器模型对叶片振动响应的影响

4．4．1含有不同摩擦阻尼器稳态滞回曲线对比

4．4．2含有不同摩擦阻尼器模型幅频曲线对比

4．4．3外激励对榫连叶片振动响应分析

4．5本章小结

第5章装配因素对旋转叶片振动响应分析

5．1引言

5．2．1二维榫头榫槽接触模型的建立

5．2．2模型验证

5．3二维榫头榫槽接触模型非线性响应分析

5．3．1气流激振力模型

5．3．2只考虑摩擦非线性系统的振动响应分析

5．3．3同时含有摩擦、间隙的非线性叶盘系统响应分析

5．3．4转速对非线性叶盘系统振动响应分析

5．4外激励对旋转叶片的振动影响

5．4．1外激励对仅考虑摩擦叶盘系统振动的影响

5．4．2外激励对考虑间隙叶盘系统振动的影响

5．5摩擦系数对旋转叶片的振动影响

5．6接触刚度对旋转叶片的振动影响

5．7本章小结

第6章结论与展望

6．1主要结论

6．2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文