前向多翼叶轮流动分析及出口滑移的计算

本文分析了离心风机前向多翼叶轮内的流动特性,计算了跨叶片面内的理想流场和湍流边界层.用三次样条平滑和旋转坐标变换方法解决了用流线曲率法数值解大曲率流场时的收敛问题;用考虑旋转和曲率对流动结构影响的Richardson数修正理想流场.提出了一种予测叶片边界层分离及流动滑移的方法.     

旋转叶片滚子式动力吸振器基本原理和特性

讨论了一种可用于旋转叶片的动力吸振器基本原理和动态特性。文中首先说明了这种以滚子滚动作为辅助系统的动力吸振器结构和力学模型,建立了吸振器数学模型并进行了相应的数学分析;然后说明了这种滚子式动力吸振器可随叶片旋转速度变化的自调谐特性,讨论了有关自调谐特性的性质。研究表明,这种新型的滚子式动力吸振器结构紧凑,具有随叶片旋转速度变化的自调谐功能,可以用于旋转叶片的减振问题。最后,文中研究和分析了这种吸振系统频率特性,表明这种系统也具有特殊的“频率转向”特性,反映了系统不同模态间的耦合性质。     

某型飞机发动机涡轮叶片故障分析中的光弹性法的应用

某型飞机发动机发生多起涡轮工作叶片断裂故障，本文用光弹性试验对该叶片结构进行分析，对失效原因提出分析意见，光弹性试验的研究结构已得到转子旋转疲劳试验及发动机等效试车试验的证明，同时通过光弹性试验提出了叶片的结构改进方案，新结构已通过低周疲劳试验及发动机台架试车的考核。     

双通道旋转输流管临界流速和振动模态分析

旋转叶片是航空发动机重要零件之一,服役条件十分恶劣,常常因振动过量导致其失效.为了合理设计含冷却通道的叶片,保证其可靠性与安全性,需对含冷却通道的叶片的振动特性进行研究.基于EulerBernoulli梁理论,将叶片简化为含两通道的悬臂旋转输流管,考虑了通道轴线偏移量对流体动能的影响,采用Lagrange原理结合假设模态法建立包含双陀螺效应的运动控制方程,采用降阶扩维的方法求解系统特征值.研究两通道模型的流速比、转速和长细比等对前3阶特征根曲线影响.将文章模型退化为简支单通道输流管,与文献报道结果进行对比,部分验证建模方法的正确性.研究发现:在相同的管道截面积下,两通道模型的临界流速值大于单通道模型的;旋转运动引入的陀螺效应会使得第2, 3阶特征根轨迹发生绕圈现象,并多次穿越虚轴;随着长细比的增大,系统会表现出类似非旋转的悬臂输流管的动力学行为;系统的横向位移模态响应呈现出行波特性,且在不同参数组合下,阻尼因子对前3阶模态产生不同的增强或减弱作用.     

航空发动机叶片-机匣碰摩热-结构耦合仿真

针对转静子碰摩过程中的摩擦热效应现象,建立了叶片-机匣的碰摩热-结构耦合模型。采用热-结构耦合单元,对航空发动机叶片-机匣进行了碰摩热效应特性研究。考虑摩擦因数及旋转过程中的离心力作用,对瞬态-热结构耦合场进行了有限元分析,研究了结构在温度场作用下的热-结构耦合应力和温度分布。与纯机械载荷下的应力分布对比,发现了碰摩热效应在叶片与机匣上的扩散规律。研究结果表明,考虑摩擦热效应时由于热应力的作用,导致结构的总应力水平升高进而产生热变形,从而使故障进一步恶化。由此可见,碰摩热效应的影响在实际航空发动机振动分析中不能忽视。     

旋转相似载荷下轴对称结构弹性响应的快速算法:旋转叠加法及其应用

基于叠加原理,采用坐标旋转和线性叠加的方法,建立了求解旋转相似载荷下轴对称结构弹性响应的快速算法--旋转叠加法.文章首先给出了"旋转相似载荷"的定义,推导了相关计算公式,然后给出了一个应用实例,验证了算法的正确性和有效性,最后对相关问题进行了讨论.旋转叠加法巧妙利用了叠加原理和结构的轴对称性,对同一结构只需一次分析,即...     

风力机叶片非线性挥舞分析

将风力机叶片简化为绕轮毂旋转的变截面Euler-Bernoulli悬臂梁,基于Greenberg公式给出非线性气动力,建立叶片挥舞振动非线性控制方程.由于变截面梁的弯曲刚度和线密度是沿梁轴线变化的函数,无法给出模态函数解析式,论文提出使用假设模态法计算的模态函数,作为基函数对控制方程进行Galerkin截断,通过将挥舞振动分解为静态位移和动态扰动合成,对其进行动态响应分析,同时讨论了叶轮转速、风速和旋转位置对振动特性的影响.研究表明:(1)叶轮转速对叶片挥舞特性影响显著,风速和叶片转角对振动特性影响很小.(2)静态位移随风速增加而增大,大体上成线性关系,气动阻尼随风速增加而减小.(3)风速较低时,非线性挥舞振动表现为衰减振动,随着风速增加,振动由衰减振动演化为周期运动,再由周期运动演化为拟周期运动.     

基于有限元方法的航空发动机叶片应力强度因子计算

为研究叶片裂纹尖端的应力奇异性,以某型航空发动机压气机叶片为例,利用有限元方法研究了叶片裂纹尖端应力强度因子的计算方法,并研究了旋转叶片振动状态下裂尖应力强度因子随裂纹长度的变化规律。建立计算模型时,在裂纹尖端划分了三维奇异单元,在裂尖外围划分了过渡单元。计算结果表明：研究旋转叶片振动状态下的裂尖应力奇异性,仅利用I型应力强度因子就具有足够的精度;对于同一裂纹,绝大多数情况下叶盆面应力强度因子大于叶背面应力强度因子,故研究叶片应力强度因子时只需研究叶盆应力强度因子即可;随着裂纹扩展,叶盆面I型应力强度因子不断增大。本文的研究方法及结论为进一步研究叶片的裂纹扩展规律及损伤容限奠定了基础。     

旋转碰摩板热冲击振动的解析法研究

提出了热冲击和碰摩故障共同作用下的旋转悬臂板系统动力特性解析解法. 基于变分原理,推导出考虑碰摩力沿宽度方向差异性的薄板系统运动微分方程,将该方程的解分解为热冲击悬臂板准静态解和碰摩薄板热冲击动力解. 通过计算旋转悬臂板的模态特性和温度分布函数,获得了碰摩叶片旋转悬臂板模型的热冲击振动解析解,讨论分析得出热冲击和碰摩故障对薄板振动的影响规律. 研究表明:碰摩振动表现为复杂的多频率耦合振动,高频振动较为显著;热冲击振动表现为简单的低频振动形式,强烈的热冲击导致碰摩薄板趋于低频振动. 碰摩引起的振动形式较热冲击故障更加复杂,更容易引起叶片的破坏. 增大的摩擦系数加剧了碰摩引起的振动,利用减小表面粗糙程度等方法降低摩擦系数,可以达到减小碰摩破坏程度的目的.      

基于速度梯度张量特征值的陷窝内旋涡分析

作为一种新型的涡流发生器,陷窝具有流动阻力小、综合传热性能高的特点,是现代高性能涡轮叶片内部冷却新技术.旋涡的定量分析是陷窝强化传热优化设计的重要依据.针对在不同陷窝模型下的旋涡结构、分离方式和背景压力变化引起的旋涡强度无法定量分析的问题,本文提出采用涡核速度和涡核速度梯度张量特征值来定量分析旋涡的方法.通过采用涡核处局部坐标系表示的速度矢量和速度梯度张量,得到了涡核的轴向速度、径向速度、旋转角速度、轴向加速度和径向加速度,并在此基础上简化出了用最大轴向速度、最大轴向加速度和最大旋转角速度综合表示的旋涡强度的定量分析方法.用该方法分析了不同深宽比陷窝诱导的旋涡结构,随着深宽比的增大,最大轴向速度、最大轴向加速度和最大旋转角速度均呈现明显的增大趋势,旋涡强度增大.研究表明此方法具有数据处理简单、通用性强、不受分离方式限制、不受背景压力影响的特点,且提取到的数据具有明确的物理意义,适用于各类旋涡定量分析.     

Nonlinear analysis of the dynamics of articulated composite rotor blades

The general nonlinear intrinsic equations of motion of an elastic composite beam are solved in order to obtain the elasto-dynamic response of a rotating articulated blade. The solution utilizes the linear Variational-Asymptotic Method (VAM) cross-sectional analysis, together with an improved damped nonlinear model for the rigid-body motion analysis of helicopter blades in coupled flap and lead-lag motions. The explicit (direct) integration algorithm implements the perturbation method in order to solve the transient form of the nonlinear intrinsic differential equations of motion and obtain the elasto-dynamic behavior of an accelerating composite blade. The specific problem considered is an accelerating articulated helicopter blade of which its motion is analyzed since it starts rotating from rest until it reaches the steady-state condition. It is observed that the steady-state solution obtained by this method compares very well with other available solutions. The resulting simulation code is a powerful tool for analyzing the nonlinear response of composite rotor blades; and for serving the ultimate aim of efficient noise and vibration control in helicopters.     

时滞状态正反馈在振动控制中的新特征

控制理论中广泛采用负反馈,而正反馈的应用不多, 一个重要原因是正反馈将系统的变化放大而使系统的稳定性变差. 如果反馈环节具有时滞, 那么正反馈未必使系统稳定性变差. 本文以线性振动系统为例, 采用稳定性切换方法和利用确定时滞系统稳定性的最大实部特征根, 详细研究了时滞状态正反馈在镇定系统不稳定运动和改善系统稳定性方面的作用. 我们发现,时滞位移正反馈明显优于时滞位移负反馈, 表现为: (1). 正反馈控制可以用较小的时滞去镇定不稳定运动和改善系统稳定性; (2). 正反馈控制可容许的时滞范围很大, 而负反馈控制的可容许时滞范围很小; (3). 正反馈对应的闭环系统的最大实部特征根的实部的极小值可显著小于负反馈对应的闭环系统的最大实部特征根的实部的极小值, 因而在相同的初始条件下, 正反馈作用下的闭环系统比之负反馈作用下的闭环系统可以更快地稳定到平衡点. 我们还发现, 对时滞速度反馈与时滞加速度反馈来说, 负反馈优于正反馈; 而对相同的反馈增益, 时滞位移正反馈优于时滞速度正反馈和时滞加速度正反馈. 关键字镇定,振动控制,时滞正反馈, 稳定性切换, 特征根      

ew Features of Positive Time-Delayed Feedbacks in Vibration Control

控制理论中广泛采用负反馈,而正反馈的应用不多, 一个重要原因是正反馈将系统的变化放大而使系统的稳定性变差. 如果反馈环节具有时滞, 那么正反馈未必使系统稳定性变差. 本文以线性振动系统为例, 采用稳定性切换方法和利用确定时滞系统稳定性的最大实部特征根, 详细研究了时滞状态正反馈在镇定系统不稳定运动和改善系统稳定性方面的作用. 我们发现,时滞位移正反馈明显优于时滞位移负反馈, 表现为: (1). 正反馈控制可以用较小的时滞去镇定不稳定运动和改善系统稳定性; (2). 正反馈控制可容许的时滞范围很大, 而负反馈控制的可容许时滞范围很小; (3). 正反馈对应的闭环系统的最大实部特征根的实部的极小值可显著小于负反馈对应的闭环系统的最大实部特征根的实部的极小值, 因而在相同的初始条件下, 正反馈作用下的闭环系统比之负反馈作用下的闭环系统可以更快地稳定到平衡点. 我们还发现, 对时滞速度反馈与时滞加速度反馈来说, 负反馈优于正反馈; 而对相同的反馈增益, 时滞位移正反馈优于时滞速度正反馈和时滞加速度正反馈. 关键字镇定,振动控制,时滞正反馈, 稳定性切换, 特征根     

Using the delayed feedback control and saturation control to suppress the vibration of the dynamical system

In the present paper, the delayed feedback control is applied to suppress or stabilize the vibration of the primary system in a two degree-of-freedom dynamical system with parametrically excited pendulum. The case of a 1:2 internal resonance between pendulum and primary system is studied. The method of multiple scales is applied to obtain second-order approximations of the response of the system. The system stability and bifurcations of equilibrium point of the averaged equations are computed. It is shown that the delayed feedback control can be used to suppress the vibration or stabilize the system when the saturation control is invalid. The vibration of the primary system can be suppressed by the delayed feedback control when the original system is in the single-mode motion. The effect of gain and delay on the vibration suppression is discussed. As the delay varies at a fixed value of the gain, the vibration of the primary system can be suppressed at some values of the delay. The vibration suppression performance of the system is improved at a large value of the gain. The vibration of the primary system could be suppressed about 56% compared with the original system by choosing the appropriate values of gain and delay. The delayed feedback control also can be used to stabilize the system when the original system is unstable. The gain and delay could be chosen as the controlling parameters. Numerical simulation is agreement with the analytical solutions well.     

NONLINEAR DYNAMIC RESPONSE OF PRE-DEFORMED BLADE WITH VARIABLE ROTATIONAL SPEED UNDER 2:1 INTERNAL RESONANCE$^{\bf 1)}$

在工程实际中,涡轮机叶片的转速在很多应用场景下不是一个定常值,比如发动机在启动、变速、停机等工况下,转子输入与输出功率失衡,伴随产生扭振,产生速度脉冲. 另外,由于服役环境、安装误差等因素会引起叶片在所难免的预变形. 本文主要研究预变形叶片,在变转速条件下的非线性动力学行为. 考虑叶片转速由一定常转速和一简谐变化的微小扰动叠加而成. 应用拉格朗日原理得到变转速叶片的动力学控制方程,并采用假设模态法将偏微分方程转为常微分方程,通过引入无量纲,使方程更具有一般性. 运用多尺度方法求解了该参激振动系统,得到了在 2:1 内共振情形下的平均方程,进而获得系统的稳态响应. 详细研究温度梯度、阻尼以及转速扰动幅值等系统参数对叶片动力学响应的影响规律,同时考察了立方项在 2:1 内共振下对方程的影响. 对原动力方程进行正向、反向扫频积分来观察其跳跃现象,并对解析解进行验证. 结果发现参数的变化对叶片均有不同程度影响,在 2:1 内共振下立方项对系统响应的影响很小,解析解与数值解吻合很好.     

2:1内共振条件下变转速预变形叶片的非线性动力学响应

在工程实际中,涡轮机叶片的转速在很多应用场景下不是一个定常值,比如发动机在启动、变速、停机等工况下,转子输入与输出功率失衡,伴随产生扭振,产生速度脉冲. 另外,由于服役环境、安装误差等因素会引起叶片在所难免的预变形. 本文主要研究预变形叶片,在变转速条件下的非线性动力学行为. 考虑叶片转速由一定常转速和一简谐变化的微小扰动叠加而成. 应用拉格朗日原理得到变转速叶片的动力学控制方程,并采用假设模态法将偏微分方程转为常微分方程,通过引入无量纲,使方程更具有一般性. 运用多尺度方法求解了该参激振动系统,得到了在 2:1 内共振情形下的平均方程,进而获得系统的稳态响应. 详细研究温度梯度、阻尼以及转速扰动幅值等系统参数对叶片动力学响应的影响规律,同时考察了立方项在 2:1 内共振下对方程的影响. 对原动力方程进行正向、反向扫频积分来观察其跳跃现象,并对解析解进行验证. 结果发现参数的变化对叶片均有不同程度影响,在 2:1 内共振下立方项对系统响应的影响很小,解析解与数值解吻合很好.      

含裂纹转子在变速过程中的瞬态振动

本文分别针对理想和非理想能源，研究了含裂纹的转子加速通过主共振区、次共振区和参数共振区的瞬态振动。结果表明，转子过次共振及参数共振区的瞬态特性可能成为诊断裂纹的重要依据。另外，本文采用主谐波变换，将转子系统的运动分方程变换成了用主谐波系数表示的方程，用该方程求转系统远离次共振和参数共振点的稳态响应时，可用求解代数方程来代替求解原微分方程，从而使求解更简便。     

时变参数时滞减振控制研究

时滞动力吸振器对谐波激励有着良好的减振控制效果,但对随机激励的减振控制效果却并不明显,具体表现为时滞动力吸振器对随机激励的减振控制效果与被动吸振器几乎相同。针对上述问题,本文提出了一种新的时变参数时滞减振控制方法。在原有时滞减振控制方法的基础上,首先将时滞增益系数由定值形式变为时间函数形式,然后通过时变优化得到多组时滞控制参数并使其以一定时间周期循环作用于减振控制过程,通过这种方法进一步改善了时滞动力吸振器减振性能。本文最后以二自由度时滞动力吸振器减振模型为例,以主系统的振动响应为仿真对象,运用精细积分法求解了具有时变时滞参数的时滞动力学方程,以此得到了在谐波激励和随机激励作用下主系统振动的时域仿真结果。研究结果表明,在时变参数时滞动力吸振器的控制下,主系统无论是受谐波激励作用还是受随机激励作用,其振动位移、振动速度和振动加速度均比在定值参数时滞动力吸振器控制下时有大幅的减少,时滞动力吸振器的减振性能有了明显的改善。      

Vibration control for parametrically excited Liénard systems

We apply a new vibration control method for time delay non-linear oscillators to the principal resonance of a parametrically excited Liénard system under state feedback control with a time delay. Using the asymptotic perturbation method, we obtain two slow flow equations on the amplitude and phase. Their fixed points correspond to limit cycles for the Liénard system. Vibration control and high-amplitude response suppression can be performed with appropriate time delay and feedback gains. Using energy considerations, we investigate existence and characteristics of limit cycles of the slow flow equations. A limit cycle corresponds to a two-period quasi-periodic modulated motion for the starting system and in order to reduce the amplitude peak of the parametric resonance and to exclude the existence of two-period quasi-periodic motion, we find the appropriate choices for the feedback gains and the time delay.