關(guān)于航空發(fā)動機外部管路的振動響應(yīng)分析論文
發(fā)動機管路系統(tǒng)是發(fā)動機系統(tǒng)的核心部件，發(fā)動機工作環(huán)境通常十分惡劣，管路系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動故障往往會引起發(fā)動機的運行失常，產(chǎn)生各種事故。通過對發(fā)動機管路進行工況監(jiān)測和故障診斷，從中找出故障原因和類型，可以防患于未然。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的：關(guān)于航空發(fā)動機外部管路的振動響應(yīng)分析相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!
關(guān)于航空發(fā)動機外部管路的振動響應(yīng)分析全文如下：
【摘要】：針對航空發(fā)動機外部管路的動力學(xué)設(shè)計需求,采用基于試車實測數(shù)據(jù)的振動響應(yīng)求解方法,對典型管路的振動響應(yīng)特性進行了計算分析。研究結(jié)果表明:在風(fēng)扇機匣位置的管路主要承受轉(zhuǎn)子不平衡和風(fēng)扇氣動激勵,表現(xiàn)為典型的簡諧激勵特征,可采用諧響應(yīng)分析方法求解其振動響應(yīng)。低階振型對管路的動態(tài)特性起決定作用,振動能量輸入導(dǎo)管結(jié)構(gòu)后,響應(yīng)輸出方向可能發(fā)生變化。在燃燒室及尾噴口位置的管路主要承受來自于燃燒室火焰脈動和氣動噪聲激勵,表現(xiàn)為典型的隨機激勵特征,可采用動力學(xué)譜密度方法求解其振動響應(yīng),得到功率譜密度響應(yīng)曲線及具有一定置信度的位移分布和應(yīng)力分布。
【關(guān)鍵詞】： 振動響應(yīng) 外部管路 振動環(huán)境 功率譜密度 諧響應(yīng)分析 動力學(xué)譜分析 航空發(fā)動機
引言
長期以來，由振動引起的航空發(fā)動機外部管路失效一直是影響發(fā)動機可靠性的重要問題之一。如某渦噴發(fā)動機定型試飛時發(fā)生油管破裂，造成2級事故;配裝某渦扇發(fā)動機的飛機返回時發(fā)現(xiàn)加油管破裂，此外還發(fā)生多起管路與卡箍以及管路與管接頭的振動故障囚。因此，研究發(fā)動機外部管路的振動響應(yīng)特征具有重要意義。
羅明澤等利用有限元方法對某一管路進行模態(tài)分析計算，找到了其發(fā)生泄漏的原因，并采取措施解決了共振問題;賈志剛田等用有限元方法分析了影響管路固有頻率的主要結(jié)構(gòu)參數(shù);侯文松等利用有限元方法研究分析了材料、直徑、油液等因素對管路固有頻率的影響。國內(nèi)對于航空發(fā)動機外部管路的研究大多局限于管路的固有振動特性，而忽略了管路所處的環(huán)境對其振動響應(yīng)的影響。
由于管路的振動響應(yīng)與激勵環(huán)境密切相關(guān)，本文首先通過對發(fā)動機試車數(shù)據(jù)分析，得到管路外部振動環(huán)境的特征;在此基礎(chǔ)上，分別采用諧響應(yīng)分析和譜分析方法對風(fēng)扇機匣外部管路和燃燒室外部管路進行振動響應(yīng)的計算分析，獲得管路在發(fā)動機實際工作狀態(tài)下的響應(yīng)特征，為外部管路的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供技術(shù)參考。
1航空發(fā)動機外部管路振動環(huán)境
管路多安裝于發(fā)動機機匣外部，承受發(fā)動機轉(zhuǎn)子不平衡激勵、附件傳動齒輪嚙合激勵、氣動激勵以及燃燒噪聲等載荷的綜合作用，當(dāng)激勵頻率與管路系統(tǒng)固有頻率接近時，將引起管路共振導(dǎo)致較大的振動應(yīng)力。由于發(fā)動機機匣不同截面振動能量的頻域分布特征并不相同，必須基于發(fā)動機試車中的實測數(shù)據(jù)獲取各管路的振動環(huán)境特征。
1.1測試方法
通過接觸式加速度傳感器對發(fā)動機機匣典型截面位置的振動信號進行測試，采樣頻率為10240 H z,采用快速傅里葉變換和功率譜密度分析獲得信號的頻率特性，從而確定發(fā)動機外部管路安裝位置的振動環(huán)境特征。
1.2試驗結(jié)果
試驗測得風(fēng)扇機匣位置在某工況下功率譜密度曲線，X是低壓轉(zhuǎn)子的倍頻，X是高壓轉(zhuǎn)子的倍頻。結(jié)合其它轉(zhuǎn)速工況的振動測試結(jié)果，可知安裝于風(fēng)扇機匣位置的管路主要承受風(fēng)扇葉片的氣動激勵16X，高、低壓轉(zhuǎn)子的不平衡激勵1X、和1X。
燃燒室位置在某工況下功率譜密度曲線。結(jié)合其它轉(zhuǎn)速工況的振動測試結(jié)果可知，燃燒室、渦輪后機匣的振動能量主要來自于燃燒室火焰脈動和氣動噪聲激勵，因此在5002800 H z較寬的頻段內(nèi)一直具有較大的振動能量分布，表現(xiàn)為隨機激勵的頻域特征;其次是高、低壓轉(zhuǎn)子不平衡激勵及其倍頻成分。這與文獻得到的結(jié)論一致。
1.3結(jié)果分析
通過對發(fā)動機外部振動環(huán)境的測試，可以得出以下結(jié)論:
(1)在風(fēng)扇機匣位置的管路主要承受轉(zhuǎn)子不平衡及其倍頻激勵和風(fēng)扇氣動激勵等，表現(xiàn)為典型的簡諧激勵特征;
(2)在燃燒室及尾噴口位置的管路主要承受來自于燃燒室火焰脈動和氣動噪聲激勵，表現(xiàn)為典型的隨機激勵特征。
2 風(fēng)扇機匣外部管路的振動響應(yīng)分析
根據(jù)激勵環(huán)境測試結(jié)果，安裝在風(fēng)扇機匣等位置附近的管路系統(tǒng)主要承受周期性載荷作用，可采用諧響應(yīng)分析方法對其振動響應(yīng)進行求解。
諧響應(yīng)分析是求解結(jié)構(gòu)在簡諧載荷作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)求解技術(shù)，通過諧響應(yīng)分析可以得到管路系統(tǒng)在多種頻率下的響應(yīng)特征，如位移分布、應(yīng)力分布等，并可以得到響應(yīng)參數(shù)隨頻率變化曲線田。在結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析中，可以通過分析結(jié)果預(yù)測結(jié)構(gòu)振動情況，并進一步通過改善激勵和結(jié)構(gòu)來達到降低振動響應(yīng)的目的。
2.1有限元模型及邊界條件
某發(fā)動機空間管路有限元模型。其材料為 1Cr18Ni9Ti，彈性模量為 1.84#105MPa，泊松比為 0.3，密度為 7900 kg/m3，外徑 8 mm，壁厚 1 mm，管路兩端固支。沿 Y 方向在管路的卡箍處(在 1 和 2 位置上)施加幅值為 10 N 的載荷，結(jié)構(gòu)阻尼比為 0.03，求解步長為 2 Hz。
2.2 計算結(jié)果分析對管路的有限元模型進行諧響應(yīng)分析，可得到在0~400 Hz 頻率范圍內(nèi)管路的位移和應(yīng)力。圖中 MX 是指最大位移或應(yīng)力處。管路在該轉(zhuǎn)速下最大位移值為0.385 mm，最大應(yīng)力值為 22.27 MPa，均在圖中 MX處。根據(jù) GJB 3816-1999，滿足外徑為 8 mm 的導(dǎo)管允許最大工作應(yīng)力為 38 MPa，說明該導(dǎo)管在額定工作狀態(tài)下是安全的。依據(jù)該方法，可以得到管路在發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下的最大振幅值和最大應(yīng)力值及其出現(xiàn)位置，對照手冊相關(guān)規(guī)定，檢查是否符合技術(shù)要求。求得在 0~400 Hz 頻率范圍內(nèi)管路某關(guān)鍵點的頻率 - 位移響應(yīng)曲線。在相同幅值激勵作用下，低階模態(tài)的振動響應(yīng)遠大于高階模態(tài)的。因此，低階振型對管路的動態(tài)特性起決定作用;雖然載荷僅施加于 方向，但管路的振動響應(yīng)在 3個方向均有一定體現(xiàn)，這是由于發(fā)動機中的導(dǎo)管形狀非常復(fù)雜，一般是空間 3 維走向，各階模態(tài)振型也表現(xiàn)為空間的振動特征。因此，激振能量輸入導(dǎo)管結(jié)構(gòu)后，輸出方向可能發(fā)生變化。
3 燃燒室機匣外部管路的振動響應(yīng)分析
根據(jù)激勵環(huán)境測試結(jié)果，安裝在燃燒室附近的管路系統(tǒng)主要承受隨機性載荷作用。本文將根據(jù)某發(fā)動機燃燒室工況，參照文獻中所述方法，對其振動數(shù)據(jù)進行整理和歸納，得到其振動功率譜密度，如圖7所示。將其定義為某管路的基礎(chǔ)激勵，然后采用動力學(xué)譜分析的方法對管路進行隨機振動響應(yīng)的求解。
譜分析是1種將模態(tài)分析的結(jié)果與1個已知的譜聯(lián)系起來計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)的分析技術(shù)，主要用于確定結(jié)構(gòu)對隨機載荷或隨時間變化載荷的動力響應(yīng)。功率譜密度實際上就是將原來對時間域的振動描述轉(zhuǎn)化為對頻率域的振動描述，反映了隨機過程統(tǒng)計參量均方值在頻率域上的分布，即在各頻率域上，振動能量的概率分布。將功率譜密度描述作為輸入，對某一 L 型彎管進行譜分析，材料為 1Cr18Ni9Ti，彈性模量為1.84#105MPa，泊松比為 0.3，密度為 7900 kg/m3，外徑 12 mm，壁厚 1 mm，管路兩端固支。分析結(jié)束進入后處理，針對某點徑向位移響應(yīng)值，繪制位移功率譜密度響應(yīng)曲線，結(jié)構(gòu)在隨機載荷作用下，主要對第 1 階振型振動敏感，表現(xiàn)為彎曲振動的響應(yīng)特征。
4 結(jié)論
在風(fēng)扇機匣位置的管路主要承受轉(zhuǎn)子不平衡及其倍頻激勵"風(fēng)扇氣動激勵等，表現(xiàn)為典型的簡諧激勵特征，可采用諧響應(yīng)分析方法求解其振動響應(yīng)。低階振型對管路的動態(tài)特性起決定作用，振動能量輸入導(dǎo)管結(jié)構(gòu)后，響應(yīng)輸出方向可能產(chǎn)生變化。在燃燒室及尾噴口位置的管路主要承受來自于燃燒室火焰脈動和氣動噪聲激勵，表現(xiàn)為典型的隨機激勵特征?？刹捎脛恿W(xué)譜密度方法求解其振動響應(yīng)，得到功率譜密度響應(yīng)曲線及具有一定置信度的位移分布和應(yīng)力分布。
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