随着航空发动机性能的不断提升和工作稳定性要求的日益苛刻,先进航空发动机转子系统逐渐呈现出柔性化和复杂化的特点。要设计出满足要求并付诸工程应用的转子系统,一个主要的制约因素就是如何减小转子系统的振动。减小振动一般以减小振幅为主要目标,但是对于日益复杂的转子系统,转子设计过程中存在多个调整目标、大量的可变参数和限制条件,使得设计或调整的过程变得十分繁杂浩大。单纯依靠验证性的传统设计思路已经不能满足现阶段的设计需求,迫切需要一种最优的设计方法,对实际转子系统的振动水平进行优化设计。针对航空发动机转子系统的特性,本文利用多学科优化技术,对柔性转子系统进行了数值模拟、优化设计和实验研究,旨在将优化设计融入转子的设计过程中,从而提高转子设计的效率,提升转子运行的安全性。研究了基于振动控制的柔性转子系统优化设计方法。首先,在分析、确定柔性转子系统的优化目标、优化变量、优化约束及优化结果可靠性评判标准的基础上,形成了转子系统的优化策略。其次,为了实现优化过程,采用有限元分析软件Ansys对柔性转子系统进行建模仿真,分析了模态响应、加速情况下的转子瞬态响应过程,推导了变形能的计算公式并给出了基于实验测量的转子系统变形能计算的数值方法;开发了多学科优化软件(iSIGHT)与通用有限元软件(Ansys)的接口集成技术。再次,采用理论分析与实验验证相结合的研究方法,综合考虑不同优化算法的优化效果与优化效率,确定NSGA-II算法为适合柔性转子系统的多目标优化算法;结合实际情况,对优化目标按照其优先级进行排序取舍,完成了整个优化过程。最后,在高速柔性转子实验器上对部分优化结果进行了实验验证,理论与实验结果基本一致,证明了所提出的基于振动控制的柔性转子系统优化设计方法是可靠的。该优化设计方法为复杂转子系统优化设计提供了一种全新的方法。研究了典型柔性转子系统优化设计的一般规律。在分析当前先进航空发动机转子系统总体结构与支点特性的基础上,利用柔性双盘转子实验器,构建了四种典型两支点支承方案的转子系统,包括简支、悬臂、简支+悬臂结构模型转子,对这四种典型柔性转子系统进行了两支点布局、支承特性、质量与刚度分布的优化设计,得到了典型柔性转子系统优化设计的一般规律:1)两支点布局优化结果表明,四种两支点支承方案的优化效果各不相同,应结合实际所关注的指标(如振幅、支反力等)来选择最优的支承方案;2)支承特性的优化结果表明,支承刚度的合理选择可显著降低柔性转子的振动水平,故支承刚度是优化设计中重要的优化变量;3)质量与刚度分布的优化结果表明,调整转轴半径的优化效果优于调整转子质量分布的优化效果。因此,在优化设计时,应将重点放在转轴的尺寸分布上。采用基于振动控制的柔性转子系统优化设计方法对两种动力涡轮模拟转子系统进行了优化设计。动力涡轮模拟转子AR1优化结果表明:输出轴材料为40CrNiMoA比材料为GH4169的优化效果好。此外,结合现有的实验条件,对动力涡轮模拟转子AR2的优化结果进行了实验验证。实验结果充分证明了该优化设计方法的准确性和有效性。优化后,轴段振幅、模拟盘的振幅以及前后支承各方向的加速度,均得到显著降低。其中,两级涡轮模拟盘的振幅分别下降59%和56%,可见,采用基于振动控制的柔性转子系统优化设计方法,可显著降低转子系统的振动水平。该优化设计方法对减小高速柔性转子引起的整机振动、改善轴承的工作条件,提高转子系统的设计效率以及转子系统运行的安全性都具有十分重要的意义。