基于集中参数模型的涂层整体叶盘建模与振动特性分析

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与传统的榫连接叶盘相比,整体叶盘盘体更薄、阻尼更小,在宽频激励下更容易产生振动超标乃至疲劳失效。因此,在整体叶盘的设计研发与使用中,对其过大振动的控制尤为重要。硬涂层是一种新兴的减振方式,特别适用于高温及高腐蚀的环境下薄壳结构的减振,因而可以考虑将这种减振技术应用到整体叶盘上。为了更好的实施整体叶盘的硬涂层减振,这里建立了集中参数模型,详细分析了涂层整体叶盘复合结构的振动特性以及不同参数变化对叶盘振动特性的影响,并研究了涂层叶盘的失谐问题。本文主要的研究内容及结论包括:(1)创建了涂层整体叶盘两自由度扇区集中参数模型,并详细给出了基于有限元分析结果确定模型中刚度、质量、阻尼等参数的方法。以涂敷NiCrAlCoY+YSZ硬涂层的整体叶盘为例进行了实例研究,分析了整体叶盘涂层前后振动特性的变化,并将结果与有限元结果进行比对,结果验证了硬涂层的减振效果,同时证明了所创建的集中参数模型的合理性。(2)搭建了涂层整体叶盘的振动测试试验系统,提出了利用试验获得的涂层前后整体叶盘的固有频率、模态振型以及振动响应等数据来分步骤辨识两自由度扇区集中参数模型中的各参数的方法。并进行了实例研究,将模型求解结果与试验测试结果进行比较,结果表明:涂层后叶盘固有频率减小,共振响应幅值下降,且涂层前后叶盘振动特性的变化规律一致,进一步证明了所创建模型的合理性。(3)选定硬涂层材料的涂层厚度、弹性模量、损耗因子为所考虑的因素,利用所建集中参数模型求解涂层叶盘的振动特性,研究了上述涂层参数变化后叶盘振动特性的变化规律。研究表明,整体叶盘的固有频率随着涂层厚度的增大而减小、随着弹性模量的增大而增大,而损耗因子对其固有频率几乎没有影响;同时,随着涂层厚度的增加、弹性模量的增大或损耗因子的增大,涂层叶盘的振动响应均减小。(4)创建含涂层参数失谐的整体叶盘集中参数模型,并由涂层引入常用的四种形式的主动失谐,即谐波、交替、线性及伪谐波失谐。接着建立了涂层失谐后整体叶盘系统的运动方程,确定其固有频率和振动响应的求解方法,并给出了评价失谐程度的量化参数。最后,通过实例分析了由涂层引入主动失谐后叶盘结构的振动特性。研究表明,叶盘系统发生由涂层引起的主动失谐后,系统最大响应随失谐量的增大呈现先上升后下降的趋势,有“阈值”现象。(5)建立了考虑基体随机失谐的涂层叶盘集中参数模型,利用Monte Carlo方法分析随机失谐涂层整体叶盘系统的固有特性及受迫响应概率特性。引入常见的四种形式的主动失谐(谐波、伪谐波、交替及线性),并同时考虑涂层或叶片的主动失谐与基体的随机失谐,研究了主动失谐的鲁棒性。研究表明,叶片刚度的主动失谐对随机失谐涂层叶盘的鲁棒性较好,而涂层刚度的主动失谐设计效果不太明显。本文创建的集中参数模型可以定性地评价叶盘结构涂层前后的振动特性,相关研究成果可为整体叶盘涂层减振设计提供参考。
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