非连续转子的动力学模型及区间分析方法

The high level vibration of engine caused by the vibration of rotor system is the bottleneck which restricts the development of the aero-engine. The nonlinearity caused by the discontinuity of structure which is induced by interface of joint and the uncertainties of parameters are two mainly difficulties to solve the vibration of rotor. Many dynamic models of interface were developed to catch the mechanics characteristics, but most of them are limited to lap joint with simple load which makes their application in rotor system is difficult. Meantime, the traditional rotor dynamics didn’t take the nonlinear stiffness and damping caused by joint into consideration. The project aims to establish the dynamic model of interface which is applicable to aero-engine rotor system based on the existing models, through the theoretical and experimental method, the influence of parameters on mechanics characteristics are to be obtained. Further, the model of interface is implanted into structure dynamic model. The dynamic model of non-continuous rotor system and corresponding numerical method are to be established. Finally, the interval analysis method of the dynamic response of non-continuous rotor system is to be established with uncertain parameters. The influencing laws of discontinuity caused by interface and the uncertainty of parameters are validated through experiments. The implement of the project will provide some supports for the vibration control of rotor system.

由于转子系统振动过大带来的整机振动超标是制约航空发动机技术发展的瓶颈问题。连接界面带来的结构非连续性所造成的局部力学特征的非线性，以及参数的非确定性是造成转子振动问题难以解决的两个关键因素。目前已有的界面动力学模型多基于平面搭接形式，且载荷形式简单，难以直接应用于含有连接结构的非连续转子系统的动力学分析，在传统的转子动力学分析中也没有考虑连接的非线性刚度/阻尼。本项目拟基于已有的界面动力学模型，发展适用于航空发动机转子连接结构的界面动力学模型，通过理论和试验研究获取界面特征对力学特性的影响规律；在此基础上，将界面模型与连续体结构动力学模型结合，建立非连续转子的动力学模型和动力特性求解方法；最后，考虑特征参数的非确定性，建立基于区间数学的非连续转子的动力特性分析方法，试验验证转子结构的非连续性与参数非确定性对转子系统响应特征的影响规律。该项目最终将为转子系统振动响应的抑制提供一定支持。

在以航空发动机为典型代表的高速轻质旋转机械中，系统宏观的载荷特征会影响转子系统连接结构界面的接触状态，而界面接触状态又会反过来影响转子系统的刚度、阻尼等力学特征，并最终导致非连续转子系统整体动力特性的非线性和非确定特征。传统的动力学理论和分析方法难以应对此类问题，难以实现对非连续转子系统动力特性的准确预测，是造成航空发动机转子振动超限等问题的重要因素。.本项目以先进航空发动机中的非连续转子结构系统为研究对象，针对连接结构及其界面、非连续转子的动力学特征分别开展理论分析、仿真计算与机理试验研究。建立了非连续转子系统的动力学模型，提出考虑参数非确定性的非连续转子系统动力特性区间分析方法，为非连续转子系统连接结构的设计奠定理论基础，为转子振动抑制提供新的技术途径。圆满完成了项目计划书中的全部内容，达到并超过了预期目标，发表文章35篇（均标注本基金项目资助），其中SCI文章9篇（Q1区9篇），EI文章26篇，参加国际会议并作报告报告5人次，培养博士研究生2人，硕士研究生4人。.针对航空发动机转子系统中止口、法兰-螺栓、套齿等连接结构，设计模拟试验件，开展了连接结构力学特性的试验研究；在此基础上，基于界面弹塑性接触模型等，建立了适用于非连续转子动力特性分析的连接结构动力学模型，实现了对连接界面应力分布特征和损耗因子的定量刻画。.基于所发展的改进薄层单元法等，进行界面模型与复杂转子结构动力学模型的组集，实现了基于商用有限元软件的非连续转子动力学模型的高效准确建立，以及其振动响应的准确预估。.针对非连续转子系统，提出了基于切比雪夫多项式展开的转子系统时频域区间分析方法，该方法可直接应用于具有大规模自由度的复杂系统的非确定分析，并准确获得具有非确定特征的非连续转子的动力特性。通过模拟试验件和航空发动机转子试验件的试验研究，研究了连接结构对转子动力特性的影响，验证了所建立模型与方法的准确性。