航空发动机柔性转子在间歇碰摩作用下的模态特性及进动响应机理

Aero-engine is the primary concerned object among the 100 major projects during the 13th Five-Year Plan period, however rub-impact is the key engineering problem limiting the safety of aero-engines and it is also a classical problem in the rotor-dynamic academic research domain. The specificity of the rub-impact in aero-engines attributes two aspects: one is the non-smooth constraint applying to rotor produced by the intermittent rub-impact, which further changes the modal characteristics of the rotor system significantly due to its weak stiffness. The other is the radial/tangential impact, which causes the non-synchronous precession of the rotor system along with the high frequency stress in the rotor’s shaft, and fatigue failure can occur occasionally because of the high operation loading exerting on the rotor. The project aims to establish the local mechanical model for the “flexible blade-honeycomb casing rub-impact” and the global dynamic model for the flexible rotor system related to intermittent rub-impact effects. An analytical method for the high-dimension non-smooth dynamic system is to be developed based on the nonlinear normal mode theory. The mechanism of the non-smooth constraint and radial/tangential impact and how they affect the rotor modal characteristics and precession features are to be revealed, and the influences of the key structural and mechanical parameters are to be obtained. The implement of the project will provide the vital theoretical supports and analytical methods for the safety design of the flexible rotors in aero-engines, and promote the developing of rotor dynamics discipline.

航空发动机是我国“十三五”计划实施的100个重大工程项目的首要关注对象，而转静件碰摩是影响其安全性的关键问题，也是转子动力学学术领域的经典问题。航空发动机中碰摩问题的特殊性在于：一是由于转子结构“弱刚度”特征，间歇碰摩对转子产生不可忽视的非光滑约束作用，显著改变转子模态特性；二是转子受到间歇碰摩的冲击作用，发生非同步进动，进而其轴系内部产生高频交变应力，由于转子的“高负荷”特征，易发生疲劳破坏。本项目拟建立航空发动机“柔性转子叶片-蜂窝机匣”碰摩局部力学模型和间歇碰摩的整体力学模型，发展基于非线性模态的高维非光滑系统动力学特性分析方法，揭示间歇碰摩过程中，非光滑约束和径向/切向冲击对转子模态特性和进动特性的影响机理，获得关键参数的影响规律，为航空发动机柔性转子的安全性设计提供亟需的理论支撑和分析方法，促进转子动力学的学科发展。

本项目以航空发动机柔性转子碰摩问题为背景，建立柔性叶片与蜂窝机匣的碰摩局部力学模型和柔性转子间歇碰摩整体力学模型，引入非线性模态理论，提出并建立新的高维、非光滑转子系统动力学分析方法，揭示非光滑约束和径向冲击/切向摩擦冲击对柔性转子动力学特性的影响机理，为航空发动机柔性转子的安全性设计提供亟需的理论支撑和分析方法，促进转子动力学的学科发展。.项目重点开展非光滑约束转子系统的模态特性、碰摩作用下转子反向涡动机理及失稳边界预测方法、柔性叶片-蜂窝机匣碰摩力学建模、柔性叶片-弹性机匣碰摩试验等四方面的研究工作。.重要成果1：建立了非光滑约束转子及复杂结构系统的模态特性求解方法，揭示了非光滑约束对转子非线性模态特性的影响机理，解决了碰摩、支承松动等局部强非线性转子系统临界转速预测的技术难题。该方法被应用于我国五代涡轮冲压组合发动机的动力学分析与优化，为型号研制提供了新思路和新技术；被应用于我国四代反应堆的闭式循环氦气轮机的结构动力学分析，为结构改进设计提供了重要技术支撑。.重要成果2：提出碰摩激励下转子反向涡动的边界预测方法，揭示了碰摩转子反向涡动失稳的力学过程及其产生机理；建立了航空发动机中复杂振动激励的传递机制分析方法，为航空发动机外部结构的振动环境分析提供了关键技术。该技术在XX13、XX17、XXA等型号中得到了广泛应用，大幅度减小了型号研制周期和研制成本；所建立的整机动力学模型被应用于涡扇发动机的振动故障分析，为XX10、XX1000的故障定位和结构改进提供了重要数据支撑。.依托该项目资助，项目组发表学术论文17篇，其中SCI论文7篇，EI论文4篇，国际会议论文3篇，国内会议论文1篇，中文核心期刊2篇；代表论文发表在机械领域顶级期刊MSSP和航空航天领域顶级期刊CJA；授权专利2项，受理专利1项；获四川省科技进步二等奖1项；作国际会议大会特邀报告1次。