由于制造、装配误差和使用磨损,航空发动机转子-支承-机匣耦合系统中普遍存在结构间隙,具体主要表现在:(1)轴承外圈与轴承座孔之间的配合松动间隙;(2)滚动轴承滚动体与内、外滚道之间的工作间隙;(3)叶片与机匣之间的碰摩间隙。这些典型的结构间隙将导致连接或支承的刚度出现强非线性特征,使航空发动机整机振动表现出复杂的非线性振动规律和特征。为了有效地分析这些故障特征,有针对性地控制航空发动机整机振动,本文进行了含结构间隙的航空发动机整机振动建模与非线性动力学研究,主要内容为:(1)利用有限元梁单元建立了某型无人飞行器用小型发动机整机振动耦合动力学模型,并采用时域数值积分求解系统非线性响应。为模拟本文由于结构间隙导致的强非线性振动响应问题提供了整机耦合动力学模型。(2)研究了轴承与轴承座之间的配合松动故障特征。首先,提出了轴承外圈与轴承座配合松动故障模型,指出该模型中在振动径向方向,存在典型的连接刚度非线性问题,针对该类连接刚度非线性问题,研究了连接件松动故障的非同步响应特征。建立了含连接件松动故障的集总质量模型,采用数值积分算法获得质量块的加速度响应,分析了不同的振动频率下的非同步响应特征,同时,建立了含连接件松动故障的试验器,通过试验验证了非同步响应规律;然后,基于转子-滚动轴承试验器,建立了含轴承外圈与轴承座配合松动故障的转子-滚动轴承试验器耦合动力学模型,利用数值积分算法仿真得到系统非线性响应,分析了拧紧力矩对轴承座响应的影响;最后,将该配合松动模型应用到某小型发动机,获取机匣加速度响应特征,并与该小型发动机的试车数据对比验证。仿真和试验得到的故障特征表现出了相同的故障特征。(3)研究了考虑滚动轴承径向游隙的发动机整机振动响应特征分析。首先,针对某小型发动机整机振动耦合动力学模型,考虑到不同支承位置的滚动轴承径向游隙,分析了其对整机振动影响的灵敏度,然后,针对灵敏度高的支承位置,分析了不同转速下,转子与滚动轴承外圈的接触状态以及非线性响应规律,分析了转子与滚动轴承之间的接触力以及不同径向游隙对其的影响,从而揭示了径向游隙对转子运行的稳定性的影响。(4)研究了叶片-机匣碰摩故障模型,及其在碰摩故障激励下的机匣响应特征。首先,建立了新型叶片-机匣碰摩模型,该模型将叶片考虑为矩形梁模型,考虑到叶片-圆盘耦合动力学模型以及转子坐标系和叶片坐标系之间的坐标变换;考虑叶片-机匣之间的不均匀间隙;其次,将新型碰摩模型与某小型发动机进行结合,建立含碰摩故障的发动机整机振动模型,采用数值积分方法求得机匣加速度的响应以及叶片响应规律;然后,利用用含机匣的航空发动机转子试验器进行碰摩试验,对碰摩模型进行了验证。最后,将单点碰摩、局部碰摩模型应用到某小型发动机整机耦合动力学模型,获取机匣加速度振动响应特征。