考虑多源激励的航发主轴承新模型及双转子系统动力学特性研究

Focusing on the aeroengine dual-rotor system supported by main shaft bearing, the load distribution model of the bearing will be set up. In this model, the multiple excitations such as unbalanced force, finite number of balls, waviness and ring flexibility will be considered. Obtain the bearing stiffness through mechanics analysis. Check the effectiveness of the load distribution model and make some necessary revisions by testing the stiffness of the main shaft bearing actually. Describe the supporting characteristics of the.main shaft bearing utilizing nonlinear restoring forces and moments. Then, set up the nonlinear dynamic model of the dual-rotor system based on the finite element theory. With the load distribution model, a periodic time-varying dynamic model of the dual-rotor system will be built considering the periodic characteristics of the bearing stiffness under multiple excitations. With the help of the above two types of dynamic model, the comparisons on the stability and dynamic responses in both time and frequency domain will be implemented. Then, the criterion for choosing a specific dynamic model will be given. By means of theoretical derivation, the formation law of frequency components in the dynamic response of periodic time-varying system with multiple excitations will be shown. In addition, the theoretical results will be validated by experiment. The implementation of this project will improve the understanding of the nonlinear dynamic.characteristics of the dual-rotor system. The research findings can provide some guidelines for the dynamics design and fault diagnostics of the rotating system. Above all, it is meaningful for the improvement of the aeroengine both theoretically and practically.

以航空发动机主轴承-双转子系统为研究对象，考虑系统不平衡载荷、有限数目滚动体、波纹度和套圈柔性等激励因素对主轴承的影响，建立主轴承的载荷分布模型。通过力学分析获取轴承刚度，开展主轴承刚度实验研究，检验模型的有效性并进行模型修正。采用非线性恢复力和恢复力矩定量描述主轴承的支承特性，基于有限元原理建立主轴承-双转子系统的非线性动力学模型。考虑多源激励下主轴承刚度的周期时变特性，结合主轴承载荷分布模型，建立系统的周期时变动力学模型。基于两类动力学模型，对比研究系统的稳定性以及时域和频域响应，给出选用不同模型进行动力学分析的判据。通过理论推导研究多源激励周期时变动力学系统响应的频率构成并进行实验验证。项目的实施有利于加深对主轴承-双转子系统非线性动力学特性的认识，为该类系统的动力学设计和故障诊断提供理论指导，对提高我国航空发动机的研制水平具有重要的理论和实践意义。

以我国航空发动机研制为研究背景，项目针对航空发动机双转子系统及其支承轴承的力学模型构建、参数影响分析进行了理论和试验研究。提出了求解滚动轴承载荷分布的新型算法—虚拟接触方法，该方法通过统一考虑轴承的物理力学模型和数学计算模型，通过遍历搜索方法得到载荷分布的真实解，避免了以往迭代式计算方法求解的盲目性，在保证精度的前提下，提高了计算效率；在研究轴承内部载荷分布的基础上，发展了采用非线性力描述轴承支承特性的新方法，相比于采用轴承刚度这种线性化处理的描述方式，新的描述方式能充分反映转子和轴承之间的耦合作用，从而有利于深入认识系统的动力学响应；同时，项目还研究了采用周期时变刚度描述轴承的支承特性时转子系统频域响应的构成规律，借助广义傅里叶级数和矩阵分解理论，得出了理论结果：系统的自由响应中包含的频率成分为系统的固有频率和参数激励频率的组合，而系统的强迫响应中不但包含自由响应中的频率成分还包含外激励频率与系统参数激励频率的组合，这些结论已经通过试验研究进行了验证，因为实际动力学系统中往往包含阻尼，自由响应部分会很快衰减，所以只有外激励频率与参数激励频率的组合成分需要给予特别关注。.对于实际的工程应用而言，理论研究的成果需要集成在设计工具中才能快速发挥作用。为了进一步提高技术成熟度，项目在上述研究成果的基础上编制了轴承力学参数计算软件和转子-轴承系统耦合动力学分析软件，目前，这些工具已经逐步在工程设计中获得应用。.总起来说，项目研究的理论成果对于深入认识转子系统或一般的振动系统的动力学响应具有一定的启示，对这些系统在诸如故障诊断中的频率识别有一定的指导意义；项目开发的软件工具可以为航空发动机转子系统的设计计算提供支持，为我国的航空发动机事业贡献力量。