葉片阻尼結(jié)構(gòu)的振動分析方法及其阻尼抑振效果研究.pdf

1、葉片是燃汽輪機等重要葉輪機械的關(guān)鍵部件，在多場耦合復(fù)雜邊界條件下容易產(chǎn)生較大的振動，進而引起振動疲勞損傷問題。特別是隨著旋轉(zhuǎn)機械向高溫、高壓、大功率方向發(fā)展，采用新材料和新結(jié)構(gòu)形式的葉片，其振動及其所導(dǎo)致的高周疲勞問題更為嚴重。針對葉片振動抑制的阻尼技術(shù)研究，是目前理論和技術(shù)領(lǐng)域的重要課題。
　　本項目面向葉片振動抑制的理論和技術(shù)的迫切需求，開展三類阻尼技術(shù)的基礎(chǔ)研究，即葉根榫頭榫槽處的榫連部位摩擦阻尼、葉根處施加粘彈性阻尼層、葉

2、身施加新型阻尼硬涂層，掌握葉片阻尼結(jié)構(gòu)的振動分析方法，獲得葉片阻尼結(jié)構(gòu)的振動特性，評估葉片阻尼振動抑制的有效性，以期獲得合理的葉片阻尼減振效果。本文主要完成了如下幾個方面的研究內(nèi)容:
　　(1)針對葉片葉根處榫頭-榫槽的榫連接觸和摩擦阻尼減振的理論研究，建立葉片葉根榫頭-榫槽榫連接觸的簡化力學(xué)模型，引入接觸摩擦環(huán)節(jié)，采用三階模態(tài)截斷，得到了考慮葉根榫連摩擦阻尼和在氣動周期激勵下的強迫響應(yīng)。在采用彈簧和粘性阻尼器來描述榫頭榫槽法向壓

3、力并符合庫倫摩擦的條件下，所得結(jié)果表明，榫連部位摩擦阻尼對葉片的固有頻率和共振響應(yīng)影響較小，實測結(jié)果驗證了仿真結(jié)果的合理性。
　　(2)針對葉片榫連摩擦阻尼的數(shù)值仿真方法開展研究，詳細介紹了接觸問題有限元分析方法的基本原理，建立了考慮榫連接觸和摩擦非線性的葉片動力學(xué)有限元模型并進行數(shù)值計算，利用試驗測試結(jié)果對帶有摩擦阻尼的葉片模型進行確認。有限元數(shù)值仿真結(jié)果表明，不同榫連部位摩擦系數(shù)下的固有頻率隨著摩擦系數(shù)的增大而增大，利用葉根不

4、同預(yù)緊力等實測證明了上述結(jié)果。所得的諧響應(yīng)結(jié)果表現(xiàn)出榫連摩擦阻尼具有減振特性，即在共振頻率和非共振頻率激勵下葉片的振動應(yīng)力下降。
　　(3)基于有限元數(shù)值仿真方法，對比分析葉片榫連部位的接觸狀態(tài)的變化和對整個盤片組合結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性的影響。結(jié)果表明，榫連部位的摩擦系數(shù)和盤片組合結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角速度對榫頭-榫槽接觸面上接觸壓力和滑動距離有明顯影響。隨著摩擦系數(shù)的增加，接觸面上接觸壓力的值逐漸的降低，隨著摩擦系數(shù)的增加，接觸面上的滑動距離

5、逐漸的減小。隨著轉(zhuǎn)速的增加，接觸面上接觸壓力和滑動距離逐漸的增大。帶有榫連摩擦阻尼的盤片組合結(jié)構(gòu)的固有頻率比固連條件下的固有頻率低。
　　(4)提出了一種在葉根處施加粘彈性阻尼塊的阻尼減振新方法。利用前述葉片簡化力學(xué)模型，基于復(fù)模量模型表征粘彈性材料的本構(gòu)關(guān)系，建立粘彈性阻尼塊-葉片系統(tǒng)的解析動力學(xué)模型。采用復(fù)特征值法對粘彈性阻尼塊-葉片系統(tǒng)進行固有頻率、損耗因子和響應(yīng)分析。理論解析分析和實測結(jié)果對照，表明粘彈性阻尼塊參數(shù)（厚度、

6、儲能模量、損耗因子）和葉片旋轉(zhuǎn)角速度對葉片的固有特性和響應(yīng)有影響。隨著粘彈性阻尼塊厚度的增加，粘彈性阻尼塊-葉片的固有頻率降低，模態(tài)阻尼比升高，其共振響應(yīng)隨著粘彈性阻尼塊的厚度的增加對不同階次的共振響應(yīng)影響不同。
　　(5)在完成粘彈性材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的有限元分析方法比較與確認的基礎(chǔ)上，開展了葉根施加粘彈性阻尼塊的有限元數(shù)值計算方法的研究。采用復(fù)常量模型表征添加在葉片根部的粘彈性阻尼材料建立粘彈性阻尼塊-葉片有限元模型，基于模態(tài)應(yīng)變能

7、法計算帶有粘彈性阻尼塊的葉片的固有頻率和損耗因子，采用諧響應(yīng)分析方法對比分析帶有粘彈性阻尼塊葉片的振動響應(yīng)與減振效果。通過試驗驗證所得結(jié)果的正確性。結(jié)果表明，所提出的有限元建模和數(shù)值計算方法具有合理性。
　　(6)提出一種針對葉片減振的葉身涂敷阻尼硬涂層的新方法。利用前文所述葉片簡化力學(xué)模型，基于改進的Oberst復(fù)合層梁彎曲理論，建立硬涂層阻尼-葉片的動力學(xué)方程并進行解析分析。獲得硬涂層-葉片的前三階固有頻率和基礎(chǔ)激勵作用下的穩(wěn)

8、態(tài)響應(yīng)。對比涂敷硬涂層前后的固有頻率和響應(yīng)結(jié)果并通過實測驗證，表明葉身涂敷阻尼硬涂層的新方法對葉片的振動減振具有有效性。
　　(7)利用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有限元法和基于各向異性材料力學(xué)原理描述硬涂層阻尼材料，建立了具有各向異性特性的硬涂層-真實葉片的有限元模型。對比分析硬涂層材料特性（如電磁效應(yīng)、厚度和涂敷位置）對葉片固有特性和諧響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，葉片葉背上涂敷硬涂層時，與無涂層的葉片相比，各階固有頻率的差值都有增大的變化。高階扭

9、轉(zhuǎn)模態(tài)和復(fù)合振動模態(tài)對涂層厚度較敏感?？紤]壓電和壓磁效應(yīng)時有一定影響，特別是硬涂層的壓磁效應(yīng)對高階振型影響較大。葉片葉背涂敷硬涂層時，與無涂層的葉片相比，共振響應(yīng)有降低的趨勢。結(jié)果還表明，葉身葉背涂敷部分涂層比葉身葉背全部涂敷涂層的振動應(yīng)力下降的多，減振效果明顯。
　　本文從理論解析、數(shù)值仿真和實驗驗證三個方面相互對比，相互確認研究了用于葉片振動抑制的葉片葉根處榫頭-榫槽的榫連接觸和摩擦阻尼、葉根處施加粘彈性阻尼材料阻尼、在葉身上