浮动弹性环式挤压油膜阻尼器的瞬态流固耦合模型及动力学机理

To avoid a series problems caused by nonlinear force of traditional squeeze film damper, the improved squeeze film dampers are studied by domestic and overseas scholars. The squeeze film damper with floating elastic ring is studied by the theory analysis, numerical simulation and experimental study in this project. According to the theory analysis, the coupling of elastic ring, squeeze film and outer ring of rolling bearing will be explicit. The fluid-structure interaction model of the damper will be established by dynamics and kinematics coordinated constraints of interaction surface. The Arbitrary Lagrangian-Eulerian method is used to solve the problem of inconsistent coordinates of two-phase moving interface. Thus the movement of elastic ring will be emulated in the squeeze film. The effect of the clearance of inner and outer oil films and structure parameter of elastic ring, especially the clearance at lug boss, on oil film pressure field distributing, stiffness, damping and the response of rotor system will be studied. Then the relation between the movement of elastic ring and damping and preventing nonlinear vibration will be summarized. Finally, the mechanism of damping and preventing nonlinear vibration will be elucidated. It will provide theoretical basis for its design and application.

为了避免传统挤压油膜阻尼器非线性油膜力带来的一系列问题，改进型挤压油膜阻尼器的研究越来越受到国内外学者的重视。本项目以浮动弹性环式挤压油膜阻尼器为研究对象，从理论分析、数值模拟和实验研究三方面开展研究。基于理论分析，确定挤压油膜、弹性环和滚动轴承外圈之间的耦合关系，根据耦合面上的动力学平衡方程及运动学协调条件，建立阻尼器的瞬态流固耦合模型，采用任意拉格朗日欧拉法处理流固耦合计算中坐标系不统一引起的两相运动界面的协调问题，实现模拟弹性环在挤压油膜中的运动。基于数值模拟和实验测试，研究内外层油膜间隙和弹性环结构参数，尤其是凸台处油膜间隙，对阻尼器油膜压力场分布、油膜刚度和阻尼系数以及转子系统振动响应的影响，总结弹性环运动状态与阻尼器减振作用和抑制非线性振动作用之间的关系，阐明该型阻尼器的减振机理和抑制非线性振动的机理，为其设计和使用提供理论分析基础。

挤压油膜阻尼器已被证明能有效地抑制航空发动机的转子振动，并被广泛应用于航空发动机中。本项目以浮动弹性环式挤压油膜阻尼器为主要研究对象开展研究，为了能对浮动弹性环式挤压油膜阻尼器动力特性进行准确的数值模拟，首先开展了挤压油膜阻尼器数值模拟方法的研究。结果表明，调节网格刚度值能有效避免出现负网格，对计算得到的油膜刚度和阻尼值并无影响；径向和轴向网格尺寸对于油膜刚度和阻尼影响较为明显，周向网格尺寸的影响较小。然后，采用分离解法求解弹性环式挤压油膜阻尼器的流固耦合问题，分别对流体控制方程和固体控制方程进行求解，通过流固耦合的交界面将流体域和固体域之间的计算结果进行相互交换，得到弹性环式挤压油膜阻尼器油膜压力分布及弹性环的变形。数值模拟表明，浮动弹性环式挤压油膜阻尼器外层油膜的油膜压力最大值大于内层油膜，在凸台附近产生的油膜压力变化更大；内外层油膜压力差所导致的弹性环的形变相对较小；内层油膜所提供的油膜阻尼大于外层油膜而油膜刚度则小于外层油膜。随着弹性环凸台宽度、凸台高度或弹性模量的增加，内外层油膜刚度和阻尼均增加。另外，通过流固耦合数值模拟也研究了弹性环非浮动状态下的动力学特性。最后，基于机械阻抗法，借助于双向激励实验器，开展了浮动弹性环式挤压油膜阻尼器动力特性的实验研究，结果表明，与传统挤压油膜阻尼器相比，弹性环式挤压油膜阻尼器不但能提供较大的油膜阻尼，还能提供更大的刚度值；增大供油流量或者激励频率，对弹性环式挤压油膜阻尼器的阻尼的影响并不明显。以上研究，为进行弹性环式挤压油膜阻尼器的设计和应用提供了必要的理论基础，为抑制航空发动机振动提供技术手段。