榫根附加阻尼叶片系统的振动特性分析

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航空发动机叶片在机械、气动、热以及旋转惯性力等多场耦合载荷作用下,发动机叶片经常会发生振动疲劳破坏。利用叶片榫根与榫槽之间的摩擦,或者在叶片榫根添加粘弹性材料,已成为两种重要的叶片阻尼减振模式。上述叶片减振理念已在工程中有所应用,但是相应的理论研究较少。本文分别采用有限元和基于梁模型的解析法对榫根附加摩擦以及粘弹性阻尼块的叶片系统的振动特性进行了研究。具体包括以下4部分内容。首先,以燕尾形榫连结构的叶片为研究对象,基于ANSYS有限元分析软件,对考虑榫根摩擦的叶片系统进行了有限元建模,求解了叶片系统前6阶固有特性及基础激励下振动的响应。结果表明:考虑摩擦后叶片榫连系统的固有频率基本不变,基础激励下的响应略有降低。然后,对榫根添加粘弹性阻尼块的叶片系统进行了有限元建模,分析了添加粘弹性阻尼块对系统固有特性及基础激励时振动响应的影响,并将结果与未添加粘弹性阻尼块时进行比较。结果表明:榫根添加粘弹性阻尼块相比于考虑榫根摩擦,固有频率显著降低,基础激励下响应降低的更明显。再则,用等效梁法创建了考虑榫根摩擦的叶片系统的动力学模型,给出了求解固有特性及基础激励下振动响应的方法。将用解析法计算获得的结果与有限元结果进行了比较,证明了分析模型的合理性。进一步,基于所创建的模型研究了摩擦接触参数(包括接触刚度、接触阻尼、摩擦系数等)对叶片系统动力学特性的影响。结果表明:若想通过摩擦来减振,接触面上的接触刚度要足够小、接触阻尼必须足够大。最后,用等效梁法创建了榫根添加粘弹性阻尼材料后叶片系统的动力学模型,具体包括以下三种情况:榫根仅添加粘弹性阻尼块、榫根包含摩擦及粘弹性阻尼块、榫根同时了添加阻尼块及阻尼条。同样通过与有限元结果的比较证明了分析模型的合理性。进一步,基于所创建的模型研究了粘弹性阻尼材料参数(包括阻尼块(条)厚度、储能模量、损耗因子等)对叶片系统的动力学特性的影响。结果表明:增加阻尼块(条)厚度、储能模量和损耗因子均对叶片减振有利。本文对榫根附加摩擦以及粘弹性阻尼块的叶片系统的振动特性进行了研究,相关结果可为叶片榫根阻尼减振设计提供参考,最终为提高叶片的抗振性和疲劳寿命服务。
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