干摩擦接触特性及涡轮叶片缘板阻尼器系统动力学特性研究

Dry friction platform damper has been widely used for reducing aero engine turbine blade vibration; however, the mechanism of its vibration reduction is not clear. The modified Massing rule is introduced to study constitutive relations of dry friction force and relative displacement. By using the finite element method a two-dimensional discrete friction model is established to describe friction contact in engineering more accurately. Based on the basic equations of elastic mechanics the one-dimensional hysteresis curve will be extended to two-dimensional hysteresis curved surface and a continuous two-dimensional friction model which will be useful to study coupling vibration of the blade and more practical is presented. Comparing the discrete friction model with the continuous friction model and improving the model, a two-dimensional friction model, which is convenient for engineering design and calculation, is finally obtained. Considering the coupling of dry friction damping and air flow, the nonlinear vibration characteristics of the turbine blade is studied and the dynamical response prediction will be more accurate. Moreover, a corresponding experimental system will be established to study two-dimensional friction contact and the nonlinear vibration characteristics of the turbine blade and the experimental data will be used to verify the theory above. The research in this project will be of important theoretical and practical significance for solving the High Cycle Fatigue (HCF) of turbine blade.

航空发动机涡轮叶片缘板干摩擦阻尼器在发动机中广泛应用，但是其减振机理仍不够明确。引进修正的曼辛规则研究非对称荷载作用下摩擦力与相对位移的本构关系；通过有限元法划分单元建立更准确的二维离散局部摩擦接触模型来描述工程中的该类摩擦接触；依据弹性力学基本方程将一维的摩擦迟滞曲线推进为二维的迟滞曲面，从而建立一种非常贴近工程实际且可研究叶片耦合振动的二维连续摩擦模型；将建立的二维离散摩擦模型和二维连续摩擦模型进行相互对照、改进，最终得到一种便于工程设计运算的准确的二维摩擦接触模型；考虑干摩擦阻尼和气流场的耦合作用，研究涡轮叶片振动的特性和非线性特性，使叶片响应预估更加准确；设计相应的涡轮叶片干摩擦阻尼器非线性振动特性试验验证上述相关理论研究并进行工程验证。本课题的研究对解决航空发动机涡轮叶片高周疲劳（HCF）问题有重要的理论及工程意义。

根据基金申请书要求，项目紧紧围绕摩擦接触模型及干摩擦缘板阻尼器动力学特性开展研究，主要包括7个方面。1）考虑正压力过大时附加阻尼器相当于附加刚度的工况完善双线性迟滞摩擦模型，使其可以计算任意非对称外激励荷载下干摩擦阻尼器动力学特性，并进行了仿真分析；2）考虑工程实际中叶盘旋转状态下叶片振动时科氏惯性力的改变引起正压力变化，从而导致该类阻尼器振动特性显著变化，提出一种叶盘旋转时涡轮叶片相对叶盘运动的分析方法，研究了发动机从启动到稳态整个过程中系统的动力学特性；3）首次提出一种正压力分配计算的方法，考虑科氏惯性力的影响建立了更符合工程的摩擦接触模型及叶片-阻尼器结构模型，并基于相对位移对成组叶片缘板阻尼器系统进行了振动特性研究；4）基于库伦摩擦模型，针对工程中广泛存在的二维干摩擦问题，提出了一种分析二维耦合干摩擦振子粘滑运动的方法，并给出了二维耦合干摩擦振子粘滑运动的复杂边界条件。5）用移动载荷来模拟接触面间的正压力和摩擦力，假定接触面间的摩擦遵循库仑摩擦定律，采用有限元法和模态叠加法来求解叶片缘板阻尼系统的动态响应，提出了求解带有非光滑摩擦接触的缘板阻尼系统稳态响应的数值方法，并对缘板和阻尼器之间的三种不同振动状态和阻尼器的减振效果进行了研究。6）针对叶冠阻尼器中相邻叶冠接触界面可能会出现的粘滞、滑动和分离导致的强非线性，采用更符合实际的线性弹簧和立方非线性弹簧描述冠间接触刚度，应用适用固体表面之间的指数型动态摩擦模型模拟摩擦力，考虑离心刚化效应影响，建立了考虑碰摩复合作用的自带冠叶片二维模型，研究了叶冠间隙和非线性刚度比以及气流激振幅值对自带冠叶片振动特性的影响。7）对附加缘板干摩擦阻尼器的平板叶片的振动及减振特性分别进行了实验研究，得到了外激励幅值、正压力等因素对系统振动及减振特性的影响规律。