航空发动机裂纹转子系统的非线性特性研究

论文摘要

本文主要对带有非线性弹性支承的裂纹转子在机动飞行下的非线性响应的研究,具体分析飞机机动飞行时弹性支承的非线性因素和不同刚度对系统响应产生的影响,旨在揭示转子系统在裂纹非线性和支承非线性两种因素的影响下系统动态响应的变化。对于单盘的Jeffcott转子系统建立线弹性支承时的动力学模型和系统微分方程,运用Runge-Kutta法对在水平盘旋和俯冲拉起两种机动状态的响应进行仿真模拟,研究结果发现,线弹性支承时系统的振幅有明显的增加,系统的临界转速也会随着支承刚度的减小而降低。考虑到单盘转子的非线性弹性支承,建立转子系统的模型和动力学微分方程,着重分析弹性支承刚度的变化和非线性因素对在水平盘旋和俯冲拉起两种运动状态下系统响应的影响,通过研究结果可以看出,水平盘旋情况下的弹性支承的转子系统比相对刚性的转子系统受支承非线性因素的影响要大;而对于俯冲拉起来说由于其外激励存在周期性,非线性响应较水平盘旋复杂;转子系统在高转速区,两者都会出现不同程度的非线性,但是弹性支承刚度越弱,非线性因素β对系统响应的影响越大,且非线性因素越大系统的非线性越强烈;同时飞机平飞时比水平盘旋和俯冲拉起时的非线性强烈,这说明飞机机动飞行时产生的附加力对转子系统的非线性有明显的抑制作用。最后,研究了在水平盘旋运动状态下,机载发动机具有非线性弹性支承和裂纹这两种非线性因素,并且裂纹具有开闭性和余弦函数性质的非线性响应,结果显示,裂纹转子系统都会在1/4、1/3、1/2、2/3、1倍以及2倍临界转速处产生了突变,并且在1倍和2倍临界转速附近的非线性响应都比较明显,刚性支承的裂纹转子系统随着裂纹深度加深,非线性响应越来越强烈,其非线性运动状态也越趋复杂;而在非线弹性支承下的刚性转子同样在分频和倍频处出现突变外,并未像刚性支承转子那样,出现大量的非线性响应,这说明支承刚度的变小会抑制系统非线性的发生,但同时系统的振幅却有所增加。本文的研究对航空发动机转子的设计、提高转子的可靠性和减振延寿等方面具有重要的理论和应用价值,对航空发动机转子裂纹故障的早期检测有一定指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 转子裂纹模型
• 1.2.2 非线性系统响应的研究方法
• 1.2.3 转子系统弹性支承
• 1.2.4 转子系统故障诊断
• 1.3 研究意义
• 1.4 研究主要内容简介
• 2 几种有效的非线性分析方法
• 2.1 Poincaré映射简介
• 2.2 周期采样峰-峰值（PSP）图
• 2.3 改进Poincaré映射
• 2.4 仿真实例
• 2.4.1 Duffing方程的非线性动力学响应
• 2.4.2 单摆的混沌振动
• 2.5 本章小结
• 3 航空发动机转子在机动飞行下的动力学响应
• 3.1 飞机机动飞行状态
• 3.1.1 飞机水平盘旋
• 3.1.2 飞机俯冲拉起
• 3.2 转子系统模型及其运动微分方程建立
• 3.2.1 弹性支承转子系统模型
• 3.2.2 系统整体刚度计算
• 3.2.3 系统微分方程建立
• 3.3 系统振动特性及响应分析
• 3.3.1 水平盘旋I振动特性分析
• 3.3.2 俯冲拉起I振动特性分析
• 3.4 本章小结
• 4 航空发动机转子系统非线性弹性支承的特性研究
• 4.1 转子系统模型建立
• 4.2 系统微分方程的建立
• 4.3 系统振动特性及响应分析
• 4.3.1 飞机平飞振动特性分析
• 4.3.2 水平盘旋I振动特性分析
• 4.3.3 俯冲拉起I振动特性分析
• 4.4 本章小结
• 5 非线性弹性支承裂纹转子的特性
• 5.1 非线性弹性支承裂纹转子模型的建立
• 5.2 转子系统运动微分方程的建立
• 5.3 系统振动特性及响应分析
• 5.3.1 裂纹转子水平盘旋I下的振动特性分析
• 5.3.2 非线性弹性支承裂纹转子水平盘旋I下的振动特性分析
• 5.3.3 非线性系数对系统的影响
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 6.1 主要结论
• 6.2 问题与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢
• 附录