CN114154362B - 基于能量耗散的涡轮叶片缘板阻尼特性的仿真评估方法 - Google Patents

基于能量耗散的涡轮叶片缘板阻尼特性的仿真评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于能量耗散的涡轮叶片缘板阻尼特性的仿真评估方法，包括：步骤一、进行真实涡轮叶片模态分析操作；步骤二、建立由第一模拟叶片缘板、阻尼器和第二模拟叶片缘板组成的阻尼器摩擦耗散功计算模型；步骤三、提取阻尼器任意工作时刻的总摩擦耗散能；步骤四、提取阻尼器的摩擦耗散功率；步骤五、重复步骤一至步骤四，对多种阻尼器的减振效果进行评估。建立阻尼器摩擦耗散功计算模型，利用能量耗散功率评价减振效果，避免了基于真实涡轮叶片阻尼减振分析方法的计算规模大、求解效率低、阻尼器细节结构尺寸无法考虑等问题，本发明实施例结果可靠，并且能够达到快速、有效的对涡轮叶片缘板阻尼器相关参数的减振效果进行评估的目的。

Description

基于能量耗散的涡轮叶片缘板阻尼特性的仿真评估方法
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，具体涉及一种基于能量耗散的涡轮叶片缘板阻尼特性的仿真评估方法。
背景技术
涡轮叶片因振动引起的高周疲劳断裂是影响发动机可靠性的关键问题之一，涡轮叶片缘板阻尼器结构减振设计是保证涡轮叶片安全稳定工作的有效途径。先进的航空发动机对涡轮叶片的抗振能力提出了更高的要求。它不仅要求涡轮叶片在更高的涡轮前温度下稳定可靠的工作，同时满足性能要求，还要求保证发动机有更高的工作寿命，并充分发挥它的性能效益。当涡轮叶片振动应力过高时可以在数小时内引起叶片断裂即高周疲劳断裂，阻尼减振是有效降低振动应力的措施之一，现有多款成熟型号的航空发动机均采用叶片缘板干摩擦阻尼器对涡轮叶片进行减振设计。
目前，针对缘板阻尼器的干摩擦阻尼减振原理，大量国内外学者通过建立多种干摩擦力学模型，利用谐波响应分析方法研究工作正压力、阻尼器质量、摩擦系数、阻尼等参数对缘板阻尼器非线性振动特性，一定程度上指导缘板阻尼器的工程应用设计，但现有的研究多数基于真实涡轮叶片的响应分析，缘板阻尼器的等效刚度以及阻尼常用于一维、二维接触，难以考虑阻尼器结构的三维接触状态，同时模型规模大导致无法快速、有效的研究缘板阻尼器细节尺寸对缘板阻尼器减振效果影响的差异，如阻尼器/阻尼槽的结构角度参数、阻尼器的结构形式(圆柱型、屋顶型、楔形)等，为工程应用带来了不便。
发明内容
本发明提供了一种基于能量耗散的涡轮叶片缘板阻尼特性的仿真评估方法，以达到快速、有效的对涡轮叶片缘板阻尼器相关参数的减振效果进行评估的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于能量耗散的涡轮叶片缘板阻尼特性的仿真评估方法，包括：步骤一、进行真实涡轮叶片模态分析操作；步骤二、建立由第一模拟叶片缘板、阻尼器和第二模拟叶片缘板组成的阻尼器摩擦耗散功计算模型；步骤三、提取阻尼器任意工作时刻的总摩擦耗散能；步骤四、提取阻尼器的摩擦耗散功率；步骤五、重复步骤一至步骤四，对多种阻尼器的减振效果进行评估。
进一步地，步骤一具体为：获取缘板径向与周向位移幅值比值和涡轮叶片一阶弯曲的固有频率，并确定缘板的周向位移幅值，然后通过比值换算方法得到缘板的径向振动位移幅值。
进一步地，步骤二具体为：根据实际需要选取弹性或弹塑性材料，并获取对应的材料参数；通过阻尼器的离心加速度加载的方式施加离心力，并计算阻尼器的离心力载荷；根据步骤一中的径向振动位移幅值，加载周向振动位移幅值的正弦激励
Figure BDA0003313042560000021
和径向位移幅值的正弦激励/>
Figure BDA0003313042560000022
并对周向振动位移幅值、周向振动频率、周向振动相位、径向振动位移幅值、径向振动频率和径向振动相位进行定义；在第一模拟叶片缘板与阻尼器接触面之间建立竖直接触面的三维标准接触，在阻尼器与第二模拟叶片缘板的接触面之间建立斜面接触面的三维标准接触，从而获取竖直接触面之间的相对滑移量以及斜面接触面之间的相对滑移量。
进一步地，步骤二还包括：建立缘板阻尼器显示动力学仿真有限元模型，采用中心差分法求解动力学微分方程。
进一步地，步骤三具体为，通过以下公式计算阻尼器任意工作时刻总摩擦耗散能：
Figure BDA0003313042560000023
其中，/>
Figure BDA0003313042560000024
为tn时刻系统的摩擦耗散能，/>
Figure BDA0003313042560000025
为tn+1时刻阻尼器系统的摩擦耗散能，nS为S接触面上全部节点,/>
Figure BDA0003313042560000031
为接触面上的摩擦系数，/>
Figure BDA0003313042560000032
为作用在S接触面上的第i个节点产生的接触面法向力，/>
Figure BDA0003313042560000033
为S接触面上第i个节点的从tn时刻到tn+0.5时刻发生的位移，nM为M接触面上全部节点，/>
Figure BDA0003313042560000034
为接触面上的摩擦系数，/>
Figure BDA0003313042560000035
为作用在M接触面上的第i个节点产生的接触面法向力，/>
Figure BDA0003313042560000036
为M接触面上第i个节点的从tn时刻到tn+0.5时刻发生的位移。
进一步地，步骤四具体为，根据以下公式计算阻尼能量耗散功率：
Figure BDA0003313042560000037
其中，Wc为阻尼能量耗散功率，/>
Figure BDA0003313042560000038
为t0时刻系统的摩擦耗散能，/>
Figure BDA0003313042560000039
为t0+T时刻系统的摩擦耗散能，T为计算的耗散功稳定后两个及以上振动周期的时间长度。
进一步地，在步骤五中，当对多种阻尼器的减振效果进行评估时，将多种阻尼器对应的阻尼能量耗散功率进行罗列，并选取阻尼能量耗散功率最高值对应的阻尼器。
进一步地，在步骤五后还应包括以下步骤：将步骤五选取的阻尼器进行叶片阻尼减振优化。
本发明的有益效果是，建立阻尼器摩擦耗散功计算模型，利用能量耗散功率评价减振效果，避免了基于真实涡轮叶片阻尼减振分析方法的计算规模大、求解效率低、阻尼器细节结构尺寸无法考虑等问题，本发明实施例结果可靠，并且能够达到快速、有效的对涡轮叶片缘板阻尼器相关参数的减振效果进行评估的目的。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的流程示意图；
图2为摩擦耗散能计算模型的流程图示意图；
图3为干摩擦阻尼耗散能仿真的三维有限元模型；
图4为干摩擦阻尼耗散能仿真的载荷及边界。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种基于能量耗散的涡轮叶片缘板阻尼特性的仿真评估方法，包括：
步骤一、进行真实涡轮叶片模态分析操作；
步骤二、建立由第一模拟叶片缘板、阻尼器和第二模拟叶片缘板组成的阻尼器摩擦耗散功计算模型；
步骤三、提取阻尼器任意工作时刻的总摩擦耗散能；
步骤四、提取阻尼器的摩擦耗散功率；
步骤五、重复步骤一至步骤四，对多种阻尼器的减振效果进行评估。
建立阻尼器摩擦耗散功计算模型，利用能量耗散功率评价减振效果，避免了基于真实涡轮叶片阻尼减振分析方法的计算规模大、求解效率低、阻尼器细节结构尺寸无法考虑等问题，本发明实施例结果可靠，并且能够达到快速、有效的对涡轮叶片缘板阻尼器相关参数的减振效果进行评估的目的。
步骤一具体为：获取缘板径向与周向位移幅值比值和涡轮叶片一阶弯曲的固有频率，并确定缘板的周向位移幅值，然后通过比值换算方法得到缘板的径向位移幅值。
利用真实涡轮叶片的模态分析结果，获取涡轮叶片两侧缘板的周向、径向的位移幅值比，根据项目经验取缘板周向位移幅值约0.01mm，利用幅值比换算得到径向振动位移幅值，为耗散功计算模型提供输入参数。
步骤二具体为：
根据实际需要选取弹性或弹塑性材料，并获取对应的材料参数；
通过阻尼器的离心加速度加载的方式施加离心力，并计算阻尼器的离心力载荷；
根据步骤一中的径向振动位移幅值，加载周向位移幅值的正弦激励
Figure BDA0003313042560000051
和径向位移幅值的正弦激励/>
Figure BDA0003313042560000052
利用Aτ、Ar、fτ、fr、/>
Figure BDA0003313042560000053
等参数，对周向振动位移幅值、周向振动频率、周向振动相位、径向振动位移幅值、径向振动频率和径向振动相位进行定义。
如图3和图4所示，在第一模拟叶片缘板1与阻尼器2接触面之间建立竖直接触面的三维标准接触，在阻尼器2与第二模拟叶片缘板3的接触面之间建立斜面接触面的三维标准接触，各组接触面由M接触面和S接触面构成，利用三维接触状态模拟缘板干摩擦阻尼中存在的整体滑移、局部粘滞的不同摩擦状态，从而获取竖直接触面之间的相对滑移量以及斜面接触面之间的相对滑移量。其中，上述步骤中相应的摩擦系数可根据项目经验定义。
步骤二还包括：建立缘板阻尼器显示动力学仿真有限元模型，采用中心差分法求解动力学微分方程。
如图2所示，建立阻尼器摩擦耗散功计算模型，通过有限元模型考虑阻尼器结构形式、摩擦系数、叶片振动的相位差、激振频率等参数对阻尼器的影响，便于对不同参数对阻尼工作效果进行研究，提供一种快速仿真阻尼器减振特性仿真手段。
步骤三具体为，通过以下公式计算阻尼器任意工作时刻总摩擦耗散能：
Figure BDA0003313042560000054
其中，/>
Figure BDA0003313042560000055
为tn时刻系统的摩擦耗散能，/>
Figure BDA0003313042560000056
为tn+1时刻阻尼器系统的摩擦耗散能，nS为S接触面上全部节点,/>
Figure BDA0003313042560000061
为接触面上的摩擦系数，/>
Figure BDA0003313042560000062
为作用在S接触面上的第i个节点产生的接触面法向力，/>
Figure BDA0003313042560000063
为S接触面上第i个节点的从tn时刻到tn+0.5时刻发生的位移；nM为M接触面上全部节点，/>
Figure BDA0003313042560000064
为接触面上的摩擦系数，/>
Figure BDA0003313042560000065
为作用在M接触面上的第i个节点产生的接触面法向力，/>
Figure BDA0003313042560000066
为M接触面上第i个节点的从tn时刻到tn+0.5时刻发生的位移，摩擦系数通过公式u＝ud+(us-ud)e-cv，考虑动摩擦ud、静摩擦us、延时常数c、S面和M面的相对滑移速度v等参数对摩擦系数u的影响。
步骤三能够获取阻尼器各时刻的总摩擦耗散功，为阻尼器摩擦耗散功率的获取提供输入参数。
需要说明的是，缘板阻尼器显示动力学仿真有限元模型，阻尼器与缘板建立有标准接触，三维标准接触由两个接触面构成(Master面和Slave面，即上述简称的M接触面和S接触面)。
进一步地，步骤四具体为，根据以下公式计算阻尼能量耗散功率：
Figure BDA0003313042560000067
其中，Wc为阻尼能量耗散功率，/>
Figure BDA0003313042560000068
为t0时刻系统的摩擦耗散能；/>
Figure BDA0003313042560000069
为t0+T时刻系统的摩擦耗散能。T为计算的耗散功稳定后两个及以上振动周期的时间长度。
步骤四采用阻尼耗散功率替代传统方法中的叶尖振动位移对减振效果进行评估，获取阻尼器各时刻的总摩擦耗散功，将计算得到阻尼耗散功率评估减振效果。
本发明实施例通过单位时间内接触工作面能量耗散的功率衡量阻尼器对系统阻尼的贡献，利用步骤三中的公式得到阻尼器总耗散功的时间历程曲线，待缘板阻尼器运动动力学响应稳定后，利用步骤四中的公式计算阻尼能量耗散功率。
在步骤五中，当对多种阻尼器的减振效果进行评估时，将多种阻尼器对应的阻尼能量耗散功率进行罗列，并选取阻尼能量耗散功率最高值对应的阻尼器。
本实施例利用计算得到的阻尼能量耗散功率直接作为评估阻尼器减振效果的衡量参数，可对不同摩擦系数、不同阻尼器结构形式、不同阻尼器角度、不同阻尼表面粗糙度等一些参数进行对比优化设计，指导阻尼器减振设计的工程应用。
优选地，在步骤五后还应包括以下步骤：将步骤五选取的阻尼器进行叶片阻尼减振优化。其中，上述耗散功率越大阻尼工作效果越好，进而能够指导优化设计方向。
本发明实施例的方法已经成功引用于某型军用涡扇发动机的高涡叶片阻尼减振优化设计，并经过整机环境下的高涡动叶振动应力测试试验验证，改进设计后涡轮叶片振动应力降低约30％，为发动机研制过程中涡轮叶片减振设计提供了重要的技术支撑。
并且应用本发明实施例能够令原来基于真实涡轮叶片阻尼减振响应分析，调整为简化的阻尼耗散功仿真模型，使有限元单元规模由约150万缩减至约10万，使仿真迭代周期从约100h降至约10h。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：建立阻尼器摩擦耗散功计算模型，利用能量耗散功率评价减振效果，避免了基于真实涡轮叶片阻尼减振分析方法的计算规模大、求解效率低、阻尼器细节结构尺寸无法考虑等问题，本发明实施例结果可靠，并且能够达到快速、有效的对涡轮叶片缘板阻尼器相关参数的减振效果进行评估的目的。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (5)

1.一种基于能量耗散的涡轮叶片缘板阻尼特性的仿真评估方法，其特征在于，包括：
步骤一、进行真实涡轮叶片模态分析操作；
步骤二、建立由第一模拟叶片缘板、阻尼器和第二模拟叶片缘板组成的阻尼器摩擦耗散功计算模型；
步骤三、提取阻尼器任意工作时刻的总摩擦耗散能；
步骤四、提取阻尼器的摩擦耗散功率；
步骤五、重复步骤一至步骤四，对多种阻尼器的减振效果进行评估；
所述步骤二具体为：
根据实际需要选取弹性或弹塑性材料，并获取对应的材料参数；
通过阻尼器的离心加速度加载的方式施加离心力，并计算阻尼器的离心力载荷；
根据所述步骤一中的径向振动位移幅值，加载周向振动位移幅值的正弦激励
Figure FDA0004235956300000011
和径向位移幅值的正弦激励/>
Figure FDA0004235956300000012
并对周向振动位移幅值、周向振动频率、周向振动相位、径向振动位移幅值、径向振动频率和径向振动相位进行定义；
在第一模拟叶片缘板与阻尼器接触面之间建立竖直接触面的三维标准接触，在阻尼器与第二模拟叶片缘板的接触面之间建立斜面接触面的三维标准接触，从而获取竖直接触面之间的相对滑移量以及斜面接触面之间的相对滑移量；
所述步骤三具体为，通过以下公式计算阻尼器任意工作时刻总摩擦耗散能：
Figure FDA0004235956300000013
其中，/>
Figure FDA0004235956300000014
为tn时刻系统的摩擦耗散能，/>
Figure FDA0004235956300000015
为tn+1时刻阻尼器系统的摩擦耗散能，nS为S接触面上全部节点,/>
Figure FDA0004235956300000021
为S接触面上的摩擦系数，/>
Figure FDA0004235956300000022
为作用在S接触面上的第i个节点产生的接触面法向力，/>
Figure FDA0004235956300000023
为S接触面上第i个节点的从tn时刻到tn+0.5时刻发生的位移，nM为M接触面上全部节点，/>
Figure FDA0004235956300000024
为M接触面上的摩擦系数，/>
Figure FDA0004235956300000025
为作用在M接触面上的第i个节点产生的接触面法向力，/>
Figure FDA0004235956300000026
为M接触面上第i个节点的从tn时刻到tn+0.5时刻发生的位移；
所述步骤四具体为，根据以下公式计算阻尼能量耗散功率：
Figure FDA0004235956300000027
其中，Wc为阻尼能量耗散功率，/>
Figure FDA0004235956300000028
为t0时刻系统的摩擦耗散能，/>
Figure FDA0004235956300000029
为t0+T时刻系统的摩擦耗散能，T为计算的耗散功稳定后两个及以上振动周期的时间长度。
2.根据权利要求1所述的基于能量耗散的涡轮叶片缘板阻尼特性的仿真评估方法，其特征在于，所述步骤一具体为：获取缘板径向与周向位移幅值比值和涡轮叶片一阶弯曲的固有频率，并确定缘板的周向位移幅值，然后通过比值换算方法得到缘板的径向振动位移幅值。
3.根据权利要求1所述的基于能量耗散的涡轮叶片缘板阻尼特性的仿真评估方法，其特征在于，所述步骤二还包括：建立缘板阻尼器显示动力学仿真有限元模型，采用中心差分法求解动力学微分方程。
4.根据权利要求1所述的基于能量耗散的涡轮叶片缘板阻尼特性的仿真评估方法，其特征在于，在所述步骤五中，当对多种阻尼器的减振效果进行评估时，将多种阻尼器对应的阻尼能量耗散功率进行罗列，并选取阻尼能量耗散功率最高值对应的阻尼器。
5.根据权利要求4所述的基于能量耗散的涡轮叶片缘板阻尼特性的仿真评估方法，其特征在于，在所述步骤五后还应包括以下步骤：将所述步骤五选取的阻尼器进行叶片阻尼减振优化。
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