航空发动机刚度非线性转子动力学特性与参数识别研究

本项目针对高推重比航空发动机日益凸现的非线性振动问题，以航空发动机的复杂结构转子为研究对象，采用正、反问题相结合的思路，提出一种构建复杂转子刚度非线性动力学方程的一般方法，研究具有刚度非线性的航空发动机转子动力学特性和参数识别问题。正问题以探索理论规律、揭示故障机理为主线，建立转子结构微观几何非线性和边界非线性环节向宏观刚度非线性影响函数映射关系，构建刚度非线性转子动力学方程，在此基础上深入研究转子的非线性动力学特性；反问题以构建识别方法为主题，根据航空发动机转子的非线性振动特性和结构特点，寻找有效的参数识别方法，利用航空发动机实测振动响应来估计结构参数。正反问题结果、理论和实验发现互为支撑，破解航空发动机刚度非线性转子动力特性的演变规律。

航空发动机是典型的高速旋转机械，转子动力学问题十分复杂。在实际使用中暴露出许多具有明显非线性特征的振动故障(问题)，通常认为是转子系统内部非线性环节与其子系统之间的多种非线性因素耦合效应所引发，是学术界和工程界亟待突破的难题。. 本项目以一种高推重比涡轮风扇发动机高压压气机转子和一种涡轮螺旋桨发动机大减速比减速器转子为典型研究对象，采用正、反问题相结合的思路，研究具有刚度非线性的转子动力学特性及其特征提取问题，在非线性动力学模型构建、非线性动力特征分析、转子装配刚度非线性特征辨识，以及裂纹转子故障特征提取等四个方面取得了重要进展，对我国航空发动机的安全运行具有重要的工程价值。. 基于三维非线性有限元模型，提出了一种通过建立转子结构细观非线性环节到宏观刚度非线性影响函数的映射关系，构建航空发动机复杂结构转子刚度非线性动力学模型一般方法。在研究非线性机理上从配合界面的微观特征入手，在研究非线性特性时以宏观动力学参数为基础，既考虑了转子结构的配合非线性因素，也考虑了边界非线性因素，有利于揭示航空发动机转子刚度的非线性演变规律。. 发展了一种求解具有多周期解非线性方程的方法，不仅能确定稳定的周期解，而且可以确定不稳定的周期解，还可以快速准确地追踪系统参数变化时方程的解曲线。采用该方法，深入研究了航空发动机刚度非线性转子的动力学特性，探究了刚度非线性转子振动故障的产生机理和演变规律，揭示了影响航空发动机的“双稳态”振动产生的主要因素。. 针对某型涡轮风扇发动机高压气机可拆卸盘鼓转子拉杆螺栓装配紧度可导致发动机“双稳态”振动问题，提出了一种简单有效的拉杆螺栓装配紧度辨识方法。通过对可拆卸盘鼓型转子进行激振测试，提取提升小波包分解重构信号的相对能量特征，定义拉杆螺栓装配紧度熵将相对能量特征映射到装配紧度辨识空间。实验研究了拉杆螺栓由松到紧三种状态，结果表明装配紧度熵具有单调一致性递减规律。. 针对某型涡轮螺旋桨发动机减速器一级齿轮毂裂纹故障，通过对比研究正常和故障状态下减速器的动态特性，发展了一系列切实可行的故障特征提取方法。共完成18台次整机试验，特别是专门定制了带有裂纹的模拟故障齿轮毂，在国内首次完成了在一台发动机上分别配装两种正常齿轮毂和模拟故障齿轮毂共5台次发动机整机对比试验，通过整机振动试验数据分析验证了方法的可靠性。