航空发动机的复合材料高速旋转叶片的非线性动力学研究

In the modern aviation industry, research new thrust-to-weight ratio, high-speed, efficient aero-engine is an important topic in the field of aviation. Since composite can significantly improve the engine thrust-to-weight ratio, advanced composite has become one of the key materials in the engine. As a core part of the large aviation engine, aerospace engine blades are the important part of the engine where compressor blades are one of the key parts of the aero-engine. We consider the aero-engine compressor blades as the research object in the content of the project in order to study the nonlinear dynamics of the high-speed rotating composite blade. According to the position of the blade assembly, work status, and geometry, we establish the rotating thin-walled cantilever beam and variable cross-section rotating thin-walled cantilever beam for low pressure compressor blades. We study variable speed, aerodynamic forces, the cross-sectional parameters influence on the nonlinear vibration of high-speed rotating blades. For the high-pressure compressor blades, we establish the rotating cantilever composite plate model and analyze factors such as, the pre-installation angle, pre-twist angle, system damping and nonlinear terms, impact on steady-state response of the high- speed rotating blades. We will have perfected nonlinear dynamics theory of high-speed rotating blades. We investigate vibration characteristics of the blades-disc coupling system in the compressor and analyze nonlinear dynamical behavior and stability of the coupled system.

在现代航空工业中，研究新型大推重比、高转速、高效航空发动机是航空领域中的重要课题。由于复合材料可以大幅度提高发动机推重比，因此先进复合材料已成为发动机关键材料之一。作为大型航空发动机的核心部分，航空发动机叶片是发动机的重要组成部分，其中压气机叶片是航空发动机的关键零件之一，本项目的研究内容是以航空发动机压气机叶片作为研究对象，研究复合材料高速旋转叶片的非线性动力学，根据叶片的装配位置、工作状态以及几何结构，针对低压压气机叶片，分别建立旋转薄壁悬臂梁的力学模型和旋转翼形变截面悬臂梁的力学模型，分析变转速、气动力、截面参数对高速旋转叶片非线性振动的影响；针对高压压气机叶片，建立旋转复合材料板的力学模型，分析预安装角、预扭转角、系统阻尼、非线性项等因素对高速旋转叶片稳态响应的影响，完善高速旋转叶片的非线性理论研究；研究压气机中叶片-轮盘耦合系统的振动特性，分析耦合系统的非线性动力学行为和稳定性。

在现代航空工业中，研究新型大推重比、高转速、高效航空发动机是航空领域中的重要课题。由于复合材料可以大幅度提高发动机推重比，因此先进复合材料已成为发动机关键材料之一。作为大型航空发动机的核心部分，航空发动机叶片是发动机的重要组成部分，其中压气机叶片是航空发动机的关键零件之一，本项目的研究内容是以航空发动机压气机叶片作为研究对象，研究了复合材料高速旋转叶片的非线性动力学，根据叶片的装配位置、工作状态以及几何结构，针对低压压气机叶片，利用Hamilton原理分别建立了旋转薄壁悬臂梁的力学模型和旋转翼形变截面悬臂梁的力学模型，使用Galerkin方法对所得到的偏微分方程进行了离散，得到了高速旋转叶片三自由度和四自由度非线性系统，分析了变转速、气动力、截面参数对高速旋转叶片非线性振动的影响。针对高压压气机叶片，使用一阶活塞理论得到了分布在叶片上的气动载荷，根据von-Karman大变形板理论，利用Hamilton原理建立了旋转复合材料板的力学模型，使用Galerkin方法得到了高速旋转叶片两自由度常微分运动控制方程，利用渐进摄动法研究了预安装角、预扭转角、系统阻尼、非线性项等因素对高速旋转叶片稳态响应的影响，完善了高速旋转叶片的非线性理论研究。研究了压气机中叶片-轮盘耦合系统的振动特性，利用CFD和FEA对整体叶盘进行了模态分析，研究了耦合系统的非线性动力学行为和稳定性。