基于非线性能量吸收器的裂纹转子延寿研究

Rotating machinery is indispensable in the modern time which has significant influence on the national economy and key fields of national defense. The existence of cracks in the rotor makes the useful life shorter. Therefore, extension of the rotor life can mine the potential utilization value, which improves the sustainable utilization of the rotor and brings huge economic benefits. This research proposal creatively introduces the nonlinear energy sink (NES) to remaining useful life extension, in which the targeted energy transfer (TET) phenomenon is used to mitigate the vibration amplitude in rotor systems so that the useful life can be extended. First a new function for the breathing crack is developed, and the dynamic equations of the rotor system is modeled and solved to investigate the vibration behaviors. Then the cracked rotor-NES system is modeled and the TET mechanism between the nonlinear normal modes are studied. The parameter optimization of the NES is performed so that the best vibration reduction can be achieved. Moreover, the fatigue crack propagation in combined with the vibration is studied. Based on the fracture mechanics, the relationship between vibration and fatigue life is established. Finally a NES based methodology for life extension for cracked rotor is proposed and an experiment is set up to verify the method. This research will provide important support for the life control and sustainable utilization of the rotor systems in the rotating machinery.

旋转机械是现代社会必不可少的装备，对国民经济的重要行业和国防重点领域有重要的影响。裂纹的出现会缩短转子的使用寿命，通过合理的方法延长裂纹转子的使用寿命，能够充分挖掘转子的使用价值，提高转子系统的可持续利用性，获得巨大的经济效益。本项目将非线性能量吸收器（Nonlinear Energy Sink, NES）引入裂纹转子寿命延长研究中，通过靶向能量传递原理降低转子的振动，从而达到延长转子寿命的目的。首先提出新的呼吸裂纹函数，对裂纹转子系统建模，研究裂纹与振动特性的关系。然后建立裂纹转子-NES系统的动力学方程，研究系统各非线性模态之间的靶向能量传递机理，实现基于NES的裂纹转子振动控制。研究在振动耦合情况下裂纹疲劳扩展，结合断裂力学理论，建立转子振动与疲劳寿命之间的关系，从而提出一种基于NES的裂纹转子寿命延长方法并进行实验验证，为旋转机械转子系统的寿命控制及可持续利用提供重要的技术支持。

本项目针对裂纹转子动力学特性分析、基于非线性能量吸收器的转子系统靶向能量传递分析、裂纹转子寿命预测及延寿等技术展开研究。建立了独立的裂纹数学函数和裂纹转子刚度模型，裂纹转子动力学模型；研究了裂纹转子动力学特性，分析了1/2，1/3亚临界转速区裂纹转子的时域和频域信息演化规律，揭示了裂纹存在与高频谐波成分的关系。创新性构建了四种面向转子系统的能量吸收模型，将NES能量吸收装置的应用从直线运动拓展到旋转运动，对比分析了四种能量吸收器的振动抑制效果，揭示了NES主要参数对系统能量靶向传递的影响机理。研究了裂纹转子疲劳扩展与振动之间的关系，基于Paris法则构建了呼吸裂纹转子的疲劳寿命预测模型。制备了呼吸裂纹转子并搭建了实验台，实现了基于非线性能量吸收的裂纹转子寿命延长系统的成果验证，为旋转机械转子系统的寿命控制及可持续利用提供重要的技术支持。项目组共发表论文10篇（第一标注6篇），其中SCI检索文章4篇，EI检索10篇，另有2篇EI源论文已录用待发表。课题组成员参加国际学术会议9人次，做学术报告8人次，项目负责人担任国际会议大会秘书长1次、分会场主席1次，邀请国际转子动力学和非线性能量吸收器等领域研究专家来课题组访问8人次，举办第4届振动与声学国际学术研讨会1次，前往美国密苏里科技大学交流访问1次。共培养博士生3名，硕士生6名，本科生1名。2018年1月，项目负责人晋升为副教授。