硬涂层叶片结构气-固耦合作用非线性振动特性研究

Analysis of nonlinear vibration for aeroengine blade is a very important research filed. The technology and application of thermal barrier coating are always used to improving the working temperature, and increasing oxidation life, and ameliorating the damaging effects of turbine blade. But the effects of coating for the vibration of turbine blade are not very clear yet. In this program, the laminated beam theory and the constrained layer damping theory and nonlinear dynamics methods and experiment methods are applied to study the nonlinear vibration of coating turbine blade under aerodynamics excitation. First, the nonlinear dynamics equations of rotating laminated beam and plate are established to describe the model of coating turbine blade. The main issues are to study the damping characteristics and flutter stability. The effect of coating thickness to the modal loss factors will be analyzed. In addition, the nonlinear vibration responses of the coating turbine blade will be studied and effects of the coating physical parameters, blade geometry and aerodynamics would be investigated. The bifurcation and chaos also will be studied. And the theoretic solutions will be compared with experiment solutions.

航空发动机叶片的非线性振动研究是国际热点研究课题，硬涂层技术对提高叶片的工作温度和耐磨损、抗腐蚀氧化能力以及热减振具有非常重要的作用。本项目综合利用层合梁理论、约束层阻尼理论、非线性动力学理论以及实验方法研究具有硬涂层叶片结构的气-固耦合作用非线性振动特性。将硬涂层叶片简化为高速旋转的层合梁和层合板模型，考虑叶片构型和气动载荷，建立非线性动力学方程，重点研究硬涂层叶片结构的阻尼减振特性，分析涂层厚度对结构固有特性和损耗因子的影响；研究复杂气动力作用下叶片结构的颤振稳定性，分析涂层几何物理参数、叶片构型参数及气动载荷对涂层叶片结构的非线性振动响应的影响，并研究结构振动可能出现的分叉和混沌等非线性现象；开展涂层叶片结构振动特性实验研究，验证理论分析结果。

叶片是航空发动机的关键零部件之一，其在高温高压等恶劣工作条件下做高速旋转运动，由此而产生的振动对发动机的安全性和可靠性具有非常大的影响。硬涂层技术对提高叶片的工作温度和耐磨损、抗腐蚀氧化能力以及热减振具有非常重要的作用。本项目综合利用层合梁理论、约束层阻尼理论、非线性动力学理论以及实验方法深入研究了具有热障涂层材料的叶片非线性振动特性。主要研究内容和结果包括：.(1) 热障涂层叶片动力学建模：将热障涂层叶片简化为固定于高速旋转轮毂上的悬臂层合板模型，综合考虑叶片预安装角和预扭转角、叶片工作温度以及高速旋转离心力等因素，基于大变形理论、一阶活塞理论和尾流激励模型利用Hamilton原理建立了热障涂层叶片非线性动力学模型。.(2) 热障涂层叶片振动特性分析：利用Ritz法和Chebyshev多项式分析了叶片层合板模型的静态频率与振型，其结果与ANSYS有限元结果对比验证；搭建了叶片振动实验平台，完成了叶片固有频率测试；深入分析了转速、温度以及涂层材料等参数对热障涂层叶片动态频率的影响，结果表明前十阶频率基本都随着转速的增加而提高，而涂层厚度的增加会提高叶片的动态频率，温度的升高则会降低叶片的动态频率，预安装角和预扭转角对动态频率的影响类似，但影响不大；最后利用Campbell 图分析了叶片的共振区域。.(3) 热障涂层叶片颤振分析：利用特征值法对热障涂层叶片的颤振行为进行了研究，结果发现，叶片在低速、高温以及热障涂层厚度较厚的情况下容易发生颤振，而随着预扭转角和预安装角的增大，叶片发生颤振的可能性会降低。.(4) 热障涂层叶片非线性动力学分析：通过数值仿真研究了叶片的扰动转速、稳定转速和尾流激励对热障涂层叶片的非线性动力学响应的影响，发现系统中存在1:5内共振等复杂的非线性动力学行为，分析结果与涂层叶片线性系统固有特性研究结果对比一致。.(5) 热障涂层叶片阻尼特性分析：基于RKU模型方法得到涂层叶片的损耗因子，详细分析了涂层厚度、厚度比及弹性模量等对损耗因子的影响。对项目所研究模型的结果表明，上涂层厚度对损耗因子的影响呈现先增后减的特性，基层厚度对损耗因子的影响呈现逐渐减缓的减小趋势，随着基体弹性模量增大损耗因子呈现逐渐减小的非线性变化趋势。