模态参数技术在叶盘叶片振动特性中的应用

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1、模态参数技术在叶盘叶片振动特性中的应用　　摘要：本文介绍了模态参数识别技术理论及模态试验技术在整体叶盘叶片动力学试验中的应用。通过将叶片模态试验与有限元模态试验相结合得出整体叶盘叶片在安装孔固持状态下的前三阶固有频率、振型和阻尼特性。试验结果证明了模态分析的可靠性，并为将来优化整体叶盘叶片设计和叶片的安全性检验提供试验依据。　　关键词：整体叶盘；模态参数识别；模态试验；有限元；振动特性　　中图分类号：V23文献标识码：A4　　整体叶盘是一种将叶片与轮盘整体加工的独特结构。虽然整体叶盘的叶片根部强度有很大程度的加强，但是在发动机的生产、研制和使用中，叶片的共振疲劳危险依然存在。对整体叶盘

2、叶片进行测频、调频、控制频率分散度，是防止叶片共振故障的有效措施之一，即通过测试和控制叶片的频率来避开发动机的工作转速，避免叶片产生共振故障。然而对于整体叶盘这种盘片一体的特殊结构，仅仅通过有限元计算显然是不充分的，因为有限元计算是整体叶盘（内部晶体结构、材料、边界条件）在理想状态下的动力学分析，其结果必须要靠试验来验证。而传统的叶片测频试验均采用共振方式，它的好处是比较直观、不能出现伪模态。但其致命的弱点是试验周期长，且可能遗漏某些阶次的模态。采用模态参数识别技术是对结构进行可控的动力学激励、分析出结构固有的动力学特性。这些特性包括一系列独特的模态振型、对应于每个振型的共振频率和描述

3、振型中自由响应振动随时间衰减快慢的阻尼因子。而所得到的模态参数（频率、阻尼、模态振型）用于解释导致产生变形的本质。　　1模态参数识别技术理论　　模态参数识别技术：通过对结构施加某种激励，测得激励信号与结构响应信号，经过快速傅立叶变换得到频响函数FRF，对FRF数据进行一系列数学计算获得结构的动态参数――模态的频率、阻尼、振型。对粘性阻尼单自由度系统，如图1所示。　　2模态参数识别的应用　　2.1试验系统简介　　试验系统包括：激振系统（力锤）、拾振系统（加速度传感器）、电荷放大器、模态分析系软件和计算机如图2所示。　　2.2模态试验系统的校准　　在正式进行整体叶盘叶片模态测试前，利用标准

4、板片进行模态测试系统的校准。将板片在长、宽方向上各四等分，共计25个节点。系统设置采用频率为5kHz，取三次锤击采样平均。通过对比标准板片的模态试验结果和振动台试验结果发现：两种试验结论基本一致，本模态测试系统具有较高的可靠性。　　2.3整体叶盘模态试验设置　　依照模态试验的基本原则，将整体叶盘模态试验的设置分为以下几个方面：　　（1）边界条件4　　试验和计算均采用整体叶盘安装孔固定约束的边界条件，以模拟整体叶盘实际的安装状态。而在进行整体叶盘地面振动时发现，叶片与轮盘、叶片与叶片之间都存在一定程度上的耦合振动。为了深入研究整体叶盘上单个叶片的动力学特性，采用对整体叶盘上所有非待测叶片

5、进行施加工程阻尼的方式。　　（2）叶片的结构建模　　结构建模就是建立整体叶盘叶片的数学模型，也就是将叶片进行网格的划分，确定测试节点的坐标。因为整体叶盘结构较为复杂，叶片相互交错，而且距离很近导致在叶片中轴线附近的节点无法进行敲击而得到传递函数，这样就影响整个叶片的振动模态。考虑到整体叶盘叶片属于短宽弦叶片，叶片的一阶扭转模态是较容易实现。相对叶片的一弯和二弯振动模态就较难出现。为此，试验在叶片的近气边和排气边加密了垂直叶片轴线的节点布局。这样既能解决叶片结构复杂对网格划分带来的困难，也能有效地识别出叶片的前三阶共振模态。此外还应该注意这些网格和节点不能设置在叶片振动的节线上。　　（3

6、）叶片激励的选择　　对于模态试验，激励的方式分为：正弦激励、周期激励、随机激励及锤击激励（猝发激励）猝发激励。整体叶盘叶片属于刚性结构，而采用锤击激励的方式会得到更好的信噪比，试验操作也相对简便。因为整体叶盘采用的材料是钛合金，而且叶片的振动模态属于整体叶盘系统中的高阶模态，试验需要较宽的频域范围，故而采用铝锤头进行敲击。　　2.4模态参数识别4　　描述频响函数的常用特性曲线有五种：幅频图、相频图、实频图、虚频图和奈奎斯特图。因为试验过程中总是存在噪声的干扰，这些干扰信号对频响函数的识别会产生很大的影响。为了提高试验精度，对叶片模态试验进行了相干性分析。　　2.5试验结果和模态分析　　

7、叶片前3阶的固有频率和相对应的阻尼值见表1。　　结论　　通过整体叶盘叶片的模态试验和结果分析得出叶片的前3阶固有频率见表1。后期通过计算验证，测试结果一致性较好。　　参考文献　　[1]大久保信行.机械模态分析[M].上海：上海交通大学出版社，1985.　　[2]李舜酩.振动模态分析[M].南京：南京航空航天大学，2004.4