毕业论文范文——基于PAM-CRASH软件平台的转静子系统碰摩动力学特性研究

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1、西安航空职业学院毕业论文基于PAM-CRASH软件平台的转静子系统碰摩动力学特性研究姓名：专业： 航空电子班级：完成日期：指导教师:摘要：基于碰撞冲击动力学软件PAM-CRASH平台，采用谐波平衡法，通过隐式-显式相结合的分析方法分别从理论分析和有限元分析角度对转静子系统进行碰摩过程数值模拟和响应特征研究，并就影响碰摩响应的因素作了进一步分析。研究发现碰摩产生的应力波在叶身方向传导，叶尖、叶中和叶根的最大应力在叶片与机匣“接触-碰撞”后依次发生；且首次碰撞的叶片碰摩力最大，机匣吸能最多，依次递减；叶片振动响应在碰摩后主要以低阶固有频率衰减。并得到不同侵入量、不同转速及不同刚度比对转静子系统碰

2、摩响应影响的一些规律。这些研究结论和研究方法有助于进一步深入认识叶片-机匣碰摩的物理现象及原理，并给工程中碰摩现象的故障诊断提供一定的参考。关键词：转静子系统；碰摩；动力特性；影响因素；PAM-CRASH1引言目前航空发动机中往往通过采取缩小旋转机械转静子之间的间隙来提高其性能及增加推质比，这就加大了转静子碰摩事故发生的机率，以至于导致转子不平衡以及转轴断裂，甚至严重会引起机器锁死等严重事故[1]。因此为了预防此类事故的发生，有必要对转静子碰摩现象机理进行深入研究。转静子之间碰摩现象的研究始于20世纪80年代，由于碰摩现象的复杂性，起初到90年代初的研究仅局限于简单转子系统，只是对碰摩导致的

3、振动问题进行初步探索。到了90年后期，对于转静子碰摩问题的研究才有了较为明显的发展，大量学者开始探索碰摩问题对于转子系统振动响应的影响。在试验方面，Padova等[2]在发动机正常转速下对不同侵入量的叶片-机匣结构碰摩情况进行研究，对比了由于碰摩产生的相互作用对其系统的影响；Ahrens等[3]在转子低速运转情况下，通过试验测得了平板叶片上的碰摩载荷；而Ferguson[4]和Young[5]通过测量机匣的响应，间接获得碰摩载荷的大小及变化规律。在数值计算方面，大部分学者着力于研究碰摩非线性特征和碰摩动力学响应。Jiang[6]等在Padova研究模型的基础上，推导出在离心力作用下叶片的法向

4、接触力和其径向变形之间的关系；Turner[7]等对叶片-机匣机构采用有限元方法进行离散，并建立了碰摩运动微分方程，通过显式中心差分法进行了数值求解，结果表明其方法在叶片-机匣碰摩动力特性分析中具有良好的数值稳定性和精度；Batailly[8]等将叶片和机匣简化梁，通过模态综合法和拉格朗日乘子接触算法研究叶片-机匣碰摩动力学问题。由以上文献可知，目前对叶片-机匣碰摩问题的研究还大多集中于单叶片或简化的盘片系统，且聚焦在对转子系统的碰摩非线性动力响应方面，而对整个转子-盘片-机匣耦合系统响应特征以及影响碰摩特性的因素缺乏较全面的分析。因此本文主要针对叶片-机匣碰摩的瞬态过程和局部细节特征进行研

5、究，建立了转子-盘片-机匣碰摩的完整有限元模型，研究了叶片-机匣发生碰摩时整个转子系统的动力学特性以及碰摩响应特征，并就不同侵入量、不同材料刚度比以及不同转速对碰摩特性的影响进行了进一步分析。得出的一些结论对于深入认识叶片-机匣碰摩的物理现象和工程中碰摩现象的故障诊断具有一定参考价值。2叶片-机匣碰摩力学原理分析转静子碰摩示意图如图1所示，对于该系统，令转轴的刚度系数为，刚性转子轮盘的质量为，偏心距为，转子的角速度为，转子和静子的间隙为，转静子同心，转子阻尼系数为。其中为碰摩法向力，为摩擦力。图1碰摩示意图设与轴的夹角为，转静子之间的摩擦系数为，定子的径向刚度系数为，转子的径向位移为。则系统

6、受力方程如式（1）所示：此时，(1)对于此方程组，若，则，。在图1所示的坐标系中，碰摩力可表示为(2)发生碰摩时，考虑碰摩力的影响，转子系统的运动方程为(3)若令，，代入式（2），则有：(4)将式（4）代入式（3）得(5)式（5）即为碰摩时转子系统的运动方程。对于方程（5），利用谐波平衡法[9]，对系统进行近似求解，即将振动系统的激励项和方程的解都展开成同阶谐波的系数相等的傅里叶级数，得到包含未知系数的一系列代数方程，从而确定待定的傅里叶级数的系数。令，，，，并假设，为0，代入方程（5），并化简，得到：(6)对于方程组（6），比较各个方程的两边，的系数，即可得到：(7)由式（7），再把相应的

7、参数代回，可得到，的近似周期解如下：(8)此解是基于一次谐波的，高阶次谐波解依次迭代求解。利用谐波平衡法求解时[12]，往往只计算前几阶次谐波，因为高次谐波所占比例极小，可以忽略不计。3叶片-机匣数值仿真分析3.1有限元建模本文所建转子-盘片-机匣机构依据高压涡轮内部结构，根据计算分析的需要，做了相应简化和假设，相应简化和基本假设如下：1）转轴和轮盘的刚度远大于叶片和机匣，在计算中近似为刚体；2）不考虑叶片与