航空发动机失谐叶盘动力特性建模和预测控制方法研究

Mistuning of aero-engine blisks is observed because of material dispersion, manufacturing installation error and work wear, besides, aero-engine blisks is affected by the interaction of aerodynamic load and mechanical load, which can cause calculation accuracy and efficiency of existing vibration characteristics analysis and prediction method not to meet the engineering application requirements. The mistuned blisks considering fluid-structure interaction as research object, modeling approach of resonance dynamic model and multi critical sites dynamic model, predictive control technology based on energy method, are investigated considering the dispersion of natural frequencies among the blades, localization of vibration modal and vibration response, and then the robustness design and experiments are investigate to verify the efficiency of proposed approach so that reasonable evaluating the influence of bladed mistuning and interaction of aerodynamic load and mechanical load on the blisks. The research object is to explore variation tendency of vibration modal and response of mistuned blisks and establish a high-precision and high-efficient dynamic analysis method of complex mechanical structure so that achieving the calculation accuracy and efficiency accepted in engineering application and implementing dynamic characteristic modeling and prediction control under the condition of fluid-structure interaction. This investigation produces positive contribution for interdisciplinary application of aerodynamics and structural dynamics, which have a certain academic significance for development complex structure dynamic design.

由于材料分散性、制造安装误差以及工作磨损等，航空发动机叶盘在工作中出现失谐现象而且受到气动载荷和机械载荷耦合作用，导致叶盘振动特性现有分析和预测控制方法的计算精度和效率达不到工程应用要求。本项目以流-固耦合作用下失谐整体叶盘作为研究对象，考虑各叶片之间固有频率的分散性和振动模态、振动响应的局部化，研究失谐整体叶盘共振动力学模型、多危险部位动力学模型的建模方法及颤振预测方法，在此基础上对其进行稳健性设计且设计实验来验证所提方法的科学有效性，从而合理的评价叶片失谐及气动载荷与机械载荷耦合作用对叶盘的影响。本课题探索失谐整体叶盘发生振动时模态和响应的变化趋势，建立复杂机械结构动力学分析的高精度且高效率方法，以工程应用能接受的计算精度和效率实现失谐整体叶盘流-固耦合作用下动力特性建模和预测控制。该研究成果对气体动力学、结构动力学的交叉应用做出积极贡献，对发展复杂结构动态设计具有一定的学术意义。

叶片—轮盘（简称“叶盘”）振动导致叶片故障约占总事故的25%，严重影响着航空发动机的经济性，安全性，可靠性。叶盘工作过程中，出现“失谐”现象，引起振动模态和振动响应局部化，增加了叶片的破坏性，尤其是新型航空发动机叶片尺寸薄、空心、质量轻和展弦比小，等更增大了叶盘对失谐的敏感性且导致叶片振动更加突出，一旦颤振发作，大幅剧烈振动会使叶片动应力在短时间内急剧增加，导致叶片在短时间内断裂，破坏性极大。.基于此，本项目以航空发动机压气机某级叶盘作为研究对象，考虑气动载荷和机械载荷耦合作用以及叶片刚度失谐（失谐量：0%-5%）对叶盘的影响，研究失谐整体叶盘流-固耦合作用下共振、多危险部位动力学模型建模方法及颤振预测方法；在此基础上进一步对其进行稳健性设计，且通过设计实验来验证所提方法科学有效性。主要包括四个研究内容：（1）提出子结构多学科多目标分解分布式协同法，研究失谐叶盘动力学建模。（2）提出子结构多学科多目标分解分布式协同法与能量法，研究失谐叶盘的颤振预测。（3）在对失谐叶盘动力学模型和颤振研究基础上，通过“错频失谐”研究失谐叶盘稳健性设计。（4）对不同部位失效进行了实验模拟，开展叶盘结构振动和颤振测试实验。.研究表明，通过对失谐整体叶盘前40阶模态进行计算，与传统方法相比，本项目方法节省时间31.01%-55.78%，25.61%-54.89%。此外，与谐调叶盘相比，叶盘失谐后其不确定度减小40%-60%。但是通过稳健性设计，失谐整体叶盘结构振型波动幅度显著减小而且各个振型以及振动响应不再出现负值，稳定性增强，叶盘结构的不确定度相对随机失谐整体叶盘结构的不确定增大20-50%，即安全性增强。.该研究保证计算精度前提下计算效率大大提高，为叶盘结构的设计提供了一定指导意义。将对气体动力学、结构动力学以及交叉学科发展做出积极贡献，具有重要的学术意义。同时，由于全面的考虑了实际工况，所采用的动力学模型建模方法以及颤振稳定性的预测控制方法将具有现实的应用前景。