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航空发动机设计的总体强度 众所周知，航空发动机是一种高温、高压、高转速的精密机械，那强度，必须刚刚的！！上一期的总体结构想必大家还念念不忘，本期借着结构的东风讲讲发动机的总体强度。 第一个问题，强度专业是干啥滴？通俗地讲，“大发”作为一个干得多吃得少的新时代好青年，没有一个强健的身体可不行呢，这个强健，既体现在普通意义的强度上面（抗拉抗弯还要抗扭），还体现在抗疲劳能力（怎么折腾都不坏）和抗打击能力（无知的小鸟呼啦啦地撞上来）等方方面面，总的来说，生活在航空发动机这样一个地狱般的工作环境里，没有一副打不坏、耐力好、贼扛揍的好身板是不行的。为了确保发动机方方面面的零组件都能符合这样变态的标准，我们的强度攻城狮们可谓是殚精竭虑。 今天，我们首先为大家介绍的是总体强度专业。 在国内，很少有总体强度这样一个概念，那总体强度是干什么的呢？其主要有三个方面：用洋文来说分别为Load, WEM and Rotor Dynamics。发动机行业内有句名言，载荷先行活看结构，这个载荷呢就是这里的Load；WEM作为一个洋小伙，其全称为Whole Engine Model，凡是和整机模型相关的各种任务都找他；最后一位就是本期的主角，RotorDynamics，转子动力学。 下面客官请听我娓娓道来。 1转子动力学的前生后世 为满足航空器日益增长的舒适性、经济性、高效率等要求，现代民用航空发动机被设计为带涡轮和压气机的旋转机械。为保障不同涡轮和压气机的工作性能，发动机主要采用双轴和三轴的结构布局，而转速往往达到每分钟几千（低压部件）或几万转（高压部件）。在这种严酷的工作条件下，发动机转子动力学设计就显得尤为重要了。 发动机转子动力学设计的优劣，直接影响着发动机整机振动的好坏与否。 如果将航空发动机拟化为一个人，涡轮、压气机、燃烧室等部件结构代表着发动机的骨骼与肌肉，燃油和空气代表着食物与血液，性能等代表着物理特征（力量、活力等），那么转子动力学设计就意味着发动机“形而上”的灵魂抑或精神的一部分。 诸位看官或许已经被上述“说教式”的话语绕得云里雾里，急切地想知道“转子动力学”这么“高大上”的专业到底是何方神圣，以及它在航空发动机设计中所起到的作用到底如何？嘿嘿，这里就不卖关子了，且听鄙人娓娓道来。 追根溯源，一门学科只有扯上几位科学巨擘，才能显得足够高大上。转子动力学最早的祖师爷简直街知巷闻，就是那位在苹果树下发呆，以致发现万有引力大定律而引发了科学大爆炸的牛顿先生（牛人就是牛，哪儿都有你！）。还有那位在高数、理论力学、控制理论等数不清的天书上、在诸位工科生幼小的心灵里永远都无法抹去，并“深恶而痛绝之”的拉格朗日大师。 在此之后的1869年，Rankine发表了题为《论旋转轴的离心力》的文章。1919年，H.H.Jeffcott通过对简单模型转子的研究，得到了转子在超临界转速下仍能稳定工作的结论，从此才真正开启了转子动力学的大时代。 转子动力学是一门研究旋转机械动力学特性的学科。旋转机械是啥？现实生活中常见的车轱辘、电风扇、滚筒洗衣机，总是就是滚来滚去，转来转去的东西啦……。因此，转子动力学通俗的讲就是大师们吃饱饭闲着无聊，研究它们的运动所获得的规律。 那么，转子动力学需要研究旋转机械的哪些规律呢？首先，我们必须要简单介绍一下共振及共振现象。物理学角度上，共振频率及其振型是任何系统所固有的属性（由系统本身的质量和刚度特性所决定），而共振现象即在共振频率点给系统以很小的作用力却会导致无限大。 广大群众：说人话！！！ 呃，大家应该都坐过秋千吧…… “谁家红袖过红桥，一丈秋千努折腰”，荡秋千绝对是人民群众喜闻乐见的一项娱乐活动。有经验的人都知道，秋千荡得越来越高是有技巧的：负责推的那个人一定不能乱使劲，向前荡得时候向前推，“每个周期内都给秋千一个正能量”。而且，这里面隐含着一个条件，基本上推一次的间隔时间与秋千的荡回来的间隔时间是一样的，用专业术语来说就是二者频率相同。 是的，频率相同！每次都给正能量！ 然而，如果推的人一直不停止，秋千就会越来越高，直到…… 秋千如此，工程机械也一样。 当外界输入能量的频率与机械本身的频率相同或相近时，就会导致振动越来越大，直到系统本身承受不住为止。 振动现象在生活中无处不在，而在工程领域，共振问题如果处理不好，完全可能导致巨大的灾难。1940年11月7日，美国860米长的塔科姆大桥在狂风中振动断裂，造成巨大的经济损失。尽管当时风速还不到设计风速极限值的三分之一，但共振能量却恰好超过了大桥的抗共振强度，导致共振损坏的发生。 在发动机设计领域，转子系统的共振频率有个特靓的名字，叫做临界转速（Critical Speed）。为什么这么叫呢，原来啊这和航空发动机整机振动激励的来源有关。初中物理老师应该告诉过大家有离心力这么个东东（