压电网络用于提高叶盘结构气弹稳定性的研究

Aero-elastic stability is highly required to guarantee the safety operation of aeroengines. It is shown that the aero-elastic stability of mistuning blade disks is much better than that of normal disks. However, there are some problems for traditional intentional mistuning methods. First of all, it is difficult to manufacture mistuning blades and assemble them. Secondly, the stability might become weaker when inevitable random mistuning occurs. Lastly, vibration localization can be caused and blades can encounter fatigue problems. In order to tackle these problems, a piezoelectric network is proposed to integrate on blade disks and help to construct a mistuning electromechanical system in this project. The network is comprised of piezoelectric patches which are interconnected with the same circuit. Owing to the unique connection pattern, the piezoelectric network can curb vibration localization and therefore overcome the drawback of mistuning, which makes it a promising method in engineering. This project will assess the aero-elastic stability based on aerodynamic damping. Moreover, a model will be constructed to analysis the electromechanical coupling dynamics of the blade disks with the piezoelectric network, and another model will be discovered to compute aerodynamic damping when taking fluid excitation into account. Followed by this, the mechanism of improving the aeroelastic stability via intentional mistuning the piezoelectric network can be revealed. The advantage of the network over vibration localization will also be proved. Finally, a method based on piezoelectric network can be found to improve and control the aero-elastic stability of blade disks.

航空发动机的可靠运行要求叶盘结构具有较高的气弹稳定性，已有的研究表明，非谐调的叶盘结构相对谐调叶盘具有较高的气弹稳定性。然而基于机械加工的人为非谐方法具有以下问题：1.加工、制造以及装配困难；2.对结构参数的随机失谐敏感，应用范围有限；3.产生振动局部化问题，加速叶片疲劳。为解决这些问题，本项目提出在叶盘结构中引入由压电材料及其附属电路构成的压电网络，通过构建非谐调的机电耦合系统提升叶盘结构气弹稳定性的学术思想。压电网络在抑制由失谐引起的振动响应放大问题上具有先天优势，可以消除失谐的负面隐患，具有显著的工程应用前景。本项目用气动阻尼对叶盘结构气弹稳定性进行评估；建立具有压电网络的叶盘结构耦合动力学模型和流-机-电系统耦合动力学特性的分析模式, 揭示通过压电网络人为失谐的方式来提高叶盘结构气弹稳定性的机理，证明其不产生局部振动的原理和优势，探索出一条能够提高和控制叶盘结构气弹稳定性的新途径。

本项目核心研究工作是基于压电材料及互联的网络形式电路实现“压电网络”，并利用其中的能量平衡及能量耗散机理，建立了可提升叶盘结构气动阻尼的理论、方法与技术。代表性的工作包括：提出了谐调压电网络（包括单周期和双周期形式）、失谐压电网络等多种电路连接形式，建立了压电材料在叶盘结构上分布的拓扑优化方法；开发了适用于压电网络叶盘结构流-机-电多场耦合动力学特性分析的三重减缩算法，通过与商用软件的对比验证了计算效率和精度；探索了用谐调（周期对称）电路网络阻抗提升气弹稳定性的可行性，提出了采用SSDNC阻尼器提升叶盘阻尼，从而提升气弹稳定性的思路；分析了随机失谐压电叶盘结构的气动阻尼变化规律，分别考虑了机械随时失谐和电路随机失谐的情况，并开展了统计研究；从计算和理论两个方面阐述了采用人为失谐方法提高系统的气弹稳定性的机理，给出了人为失谐模式的选择依据。论证了用外接电容失谐实现人为失谐的可行性；开展实验研究，验证了压电网络对谐调及失谐叶盘的振动抑制效果。研究发现：当人为失谐的形式与模态族中具有较大气动阻尼的模态振型一致时，该模态族最小气动阻尼对应的模态成分中会包含多个具有较大气动阻尼的谐调叶盘模态，这使得最小气动阻尼相对引入人为失谐前模态族的最小气动阻尼有了明显提升。由于我们从理论上完整地解释了电学参数人为失谐模式选择的依据，而于具体的叶盘形式、气动参数等无关，因此保证了该结论的普适性。本项目研究不仅论证了用压电网络提升叶盘结构气弹稳定性的可行性，还给出了电学参数人为失谐模式的选择依据，从而超越预期地实现了规划的研究内容。发表文章28篇（均标注本基金项目资助），其中SCI文章15篇，EI文章13篇；获发明专利授权3项；培养博士生4名，硕士生3名，取得了超越预期数量和质量的成果。