《硬塗層葉片結構氣-固耦合作用非線性振動特性研究》是依託北京工業大學，由曹東興擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：硬塗層葉片結構氣-固耦合作用非線性振動特性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：曹東興
- 依託單位：北京工業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
航空發動機葉片的非線性振動研究是國際熱點研究課題，硬塗層技術對提高葉片的工作溫度和耐磨損、抗腐蝕氧化能力以及熱減振具有非常重要的作用。本項目綜合利用層合梁理論、約束層阻尼理論、非線性動力學理論以及實驗方法研究具有硬塗層葉片結構的氣-固耦合作用非線性振動特性。將硬塗層葉片簡化為高速旋轉的層合梁和層合板模型，考慮葉片構型和氣動載荷，建立非線性動力學方程，重點研究硬塗層葉片結構的阻尼減振特性，分析塗層厚度對結構固有特性和損耗因子的影響；研究複雜氣動力作用下葉片結構的顫振穩定性，分析塗層幾何物理參數、葉片構型參數及氣動載荷對塗層葉片結構的非線性振動回響的影響，並研究結構振動可能出現的分叉和混沌等非線性現象；開展塗層葉片結構振動特性實驗研究，驗證理論分析結果。
結題摘要
葉片是航空發動機的關鍵零部件之一，其在高溫高壓等惡劣工作條件下做高速旋轉運動，由此而產生的振動對發動機的安全性和可靠性具有非常大的影響。硬塗層技術對提高葉片的工作溫度和耐磨損、抗腐蝕氧化能力以及熱減振具有非常重要的作用。本項目綜合利用層合梁理論、約束層阻尼理論、非線性動力學理論以及實驗方法深入研究了具有熱障塗層材料的葉片非線性振動特性。主要研究內容和結果包括： (1) 熱障塗層葉片動力學建模：將熱障塗層葉片簡化為固定於高速旋轉輪轂上的懸臂層合板模型，綜合考慮葉片預安裝角和預扭轉角、葉片工作溫度以及高速旋轉離心力等因素，基於大變形理論、一階活塞理論和尾流激勵模型利用Hamilton原理建立了熱障塗層葉片非線性動力學模型。 (2) 熱障塗層葉片振動特性分析：利用Ritz法和Chebyshev多項式分析了葉片層合板模型的靜態頻率與振型，其結果與ANSYS有限元結果對比驗證；搭建了葉片振動實驗平台，完成了葉片固有頻率測試；深入分析了轉速、溫度以及塗層材料等參數對熱障塗層葉片動態頻率的影響，結果表明前十階頻率基本都隨著轉速的增加而提高，而塗層厚度的增加會提高葉片的動態頻率，溫度的升高則會降低葉片的動態頻率，預安裝角和預扭轉角對動態頻率的影響類似，但影響不大；最後利用Campbell 圖分析了葉片的共振區域。 (3) 熱障塗層葉片顫振分析：利用特徵值法對熱障塗層葉片的顫振行為進行了研究，結果發現，葉片在低速、高溫以及熱障塗層厚度較厚的情況下容易發生顫振，而隨著預扭轉角和預安裝角的增大，葉片發生顫振的可能性會降低。 (4) 熱障塗層葉片非線性動力學分析：通過數值仿真研究了葉片的擾動轉速、穩定轉速和尾流激勵對熱障塗層葉片的非線性動力學回響的影響，發現系統中存在1:5內共振等複雜的非線性動力學行為，分析結果與塗層葉片線性系統固有特性研究結果對比一致。 (5) 熱障塗層葉片阻尼特性分析：基於RKU模型方法得到塗層葉片的損耗因子，詳細分析了塗層厚度、厚度比及彈性模量等對損耗因子的影響。對項目所研究模型的結果表明，上塗層厚度對損耗因子的影響呈現先增後減的特性，基層厚度對損耗因子的影響呈現逐漸減緩的減小趨勢，隨著基體彈性模量增大損耗因子呈現逐漸減小的非線性變化趨勢。
