一种求解干摩擦带冠叶片动力学响应的方法.docx

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一种求解干摩擦带冠叶片动力学响应的方法

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谢方涛崔璨马辉邦椿

摘要:考虑相邻叶冠之间的接触摩擦作用,将扭形带冠叶片简化为自由端带有集中质量的悬臂梁,冠间接触采用带有迟滞特性的宏观滑移模型模拟,基于Timoshenko梁理论和库仑摩擦定理,提出了一种干摩擦扭形带冠叶片动力学响应的数值求解方法。基于所提方法,分析了叶片安装角和扭角对干摩擦叶片动力学特性的影响,并通过有限元方法验证了求解结果。研究结果表明:随着安装角和扭角的增加,会削弱冠间接触表面的减振效果,但并不会对最优法向接触压力产生影响;并且,相比于有限元方法,所提方法在保证求解精度的情况,具有较高的求解效率。此研究结果能够为旋转扭形叶片冠间阻尼结构的设计和优化提供理论指导。

关键词:干摩擦阻尼;带冠叶片;安装角;黏滞-滑动运动

:TH113;0322文献标志码:A:1004-4523(2018)01-0110-08

DOI:10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2018.01.013

引言

叶片在工作过程中,不可避免地要承受温度、离心和气动等多种动静载荷,叶片易产生高周疲劳破坏。在实际工程应用中,常采用叶冠装置以实现减振目的。带冠叶片干摩擦阻尼减振机理是利用叶冠间初始装配压力和其旋转过程中的回扭力,使叶冠间获得适当的初始法向载荷,并依靠冠间接触面上摩擦耗散振动能量,以减小叶片振动。并且,由于叶冠接触面之间的约束作用,会间接改变叶片的刚度,可以实现对叶片固有频率的调节,避免叶片产生共振。

在国内外现有的研究中,常采用带有迟滞弹簧的宏观滑移摩擦模型的叶片集中参数模型研究叶片在干摩擦阻尼结构下的动力学特性。Griffin利用带弹簧的库仑摩擦模型研究了涡轮叶片的共振响应,并通过实验测试验证了分析结果。考虑随接触面滑动速度变化的摩擦系数的影响,wang和shieh建立了具有干摩擦结构的叶片单自由度模型,并讨论了变化的摩擦系数对叶片振动特性的影响。为提高计算效率,Wang和Chen在前期研究的基础上,采用多谐波平衡法求解带有干摩擦阻尼结构的叶片动力学响应,在保证求解精度的基础上,大大提高了求解效率。Sanliturk等将干摩擦阻尼等效成复刚度模型,并采用谐波平衡法,提出了一种在频域内求解叶片振动响应的方法。李琳等采用时频转换法与高阶谐波平衡法相结合的方法,研究了干摩擦叶片在受到多阶次谐波激励下的叶片减振特性。Sayed等分析了接触状态的变化对带有干摩擦阻尼系统的振动特性及能量耗散的影响,指出了接触状态的变化对冠间摩擦耗能具有很大的影响。Laxalde等采用集中参数模型对叶盘进行建模,并利用多谐波平衡法和时频转换法计算了在周期性激励下系统稳态响应。王小宁等采用宏观滑移摩擦模型,通过接触分析获得冠间摩擦力和相对滑移量,进而求取冠间的等效阻尼和等效刚度,并利用ANSYS软件中MATRIX27弹簧阻尼单元模拟冠间阻尼和刚度,分析了带冠叶片的减振特性。

一些学者分析叶片干摩擦结构减振特性时,考虑了叶片振动对冠间法向载荷的影响。假设法向载荷随着切向位移线性变化,Menq等提出了一种近似方法求解受到变化法向载荷的叶片的动态响应,并采用数值算法验证了所提解法的正确性。Yang等建立了可以考虑切向和法向相对运动的二维接触模型模拟叶冠摩擦接触,并研究了冠间接触表面在分离、黏滞和滑动状态所引起的系统非线性动力学特性。考虑到可变的摩擦系数和法向载荷的影响,Santhosh等研究了在恒定和变法向载荷下两自由度模型的干摩擦动力学特性,并且在可变的法向载荷下发现了如跳跃这样的典型非线性动力学现象。上官博等在Csaba摩擦模型的基础上发展了一种能够考虑接触面摩擦运动过程中正压力随时间变化的微滑移干摩擦模型,克服了Csaba摩擦模型只能描述局部微滑移摩擦力,而不能考虑变化的法向载荷的缺点。

随着研究的继续深入,一些学者采用微滑移摩擦模型模拟干摩擦阻尼结构。将微滑移模型应用于B-G叶片模型,Hudson和Sinha利用谐波平衡法计算了系统的振动响应,并将计算结果同在宏观摩擦模型结果进行对比。为了进一步比较微滑移摩擦模型和宏观滑移摩擦模型,Marquina等分别使用宏观和微滑移摩擦模型,对干摩擦结构进行模拟,并将其结果与通过实验获得的结果进行了对比。Ramaiah和Krishnaiah建立了可以模拟摩擦界面参数的数学模型,并通过实验测试验证了所建立数学模型的有效性。Yuan等利用微滑移摩擦模型研究了阻尼叶片的振动特性,在研究过程中将阻尼叶片简化成两自由度集中质量模型,研究了阻尼器位置对叶片振动响应的影响。利用与文献相同的摩擦模型,Giridhar等分析了阻尼叶片的振动响应,并通过台架试验验证了仿真结果的正确性。为了研究法向运动对微滑移摩擦模型的影响,Cigeroglu

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