燃烧室火焰筒结构在随机噪声作用下的振动响应分析

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1、2010年6月沈阳航空工业学院学报第27卷第3期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringJun．加lOV01．27No．3文章编号：1007—1385(2010)03—0021—05燃烧室火焰筒结构在随机噪声作用下的振动响应分析张振沙云东孙晓倩(沈阳航空航天大学辽宁省数字化工艺仿真与试验技术重点实验室，辽宁沈阳110136)摘要：针对航空发动机燃烧室火焰筒结构声疲劳问题，建立了某型航空发动机燃烧室火焰筒有限元计算模型。采用耦合的边界元和有限元方法对该结构进行声激励载荷作用下的响应进行计算，获得该结构在不同声压级下的振

2、动位移和应力响应结果，对燃烧室火焰筒结构疲劳故障分析和抗声疲劳结构设计具有一定参考价值。关键词：声疲劳；随机噪声；振动应力；振动响应中图分类号：V215．5；V232．6文献标识码：A航空飞行器上为减轻重量，受热部件大量采用高温合金薄壁结构，如航空发动机燃烧室火焰筒，隔热防振屏等。这些结构通常在高温、高压环境下工作，由于受到强随机声激励而产生疲劳破坏、疲劳失效。这是多种载荷共同作用的结果，特别在热、声载荷联合作用下，结构更容易产生高温声疲劳⋯。某航空发动机设计单位分析报告指出，火焰筒裂纹故障是在较大的静应力上叠加较大的高频振动应力造成的，主要原因是高周振动诱使结构产生裂纹，而噪

3、声载荷极易诱发结构产生高周振动。因此，研究航空发动机燃烧室火焰筒声疲劳问题势在必行。本文建立了某型航空发动机燃烧室火焰筒有限元计算模型并研究分析该结构在随机声激励作用下振动响应问题旧j。所完成的工作对燃烧室火焰筒结构疲劳故障分析和提高发动机的可靠性、耐久性具有一定参考价值。1声激励响应为了实现薄壁柱壳结构在声激励载荷作用下的响应计算，其声激励载荷选取有限带宽高斯白噪声载荷∞。4J。有限带宽高斯白噪声在其频带宽度范围内，各频率分量是均匀分布的。因此选取有限带宽高斯白噪声作为声激励载荷更能反映出结构声疲劳问题的本质，同时还可以比较同一结收稿日期：2010—04一15作者简介：张振(

4、1983一)，男，山东单县人。在读研究生，主要研究方向：航空发动机强度、振动与噪声。E—mail：zhangzhenl9830410@163．corn。构在相同频带宽度范围内不同声压级噪声作用下或者同一结构在相同声压级下不同频带宽度范围内噪声作用下的响应问题∞J。有限带宽高斯白噪声功率谱密度可表示为：G∽=4／Afxl0T““．10’(1)G∽。叫(1)式中：SPL表示带宽声压级；af表示频带宽度。图1给出的是有限带宽高斯白噪声频谱，图2和图3给出的是声压级为140dB和160dB时的噪声载荷时问波形。喜了参160140120圈1有限带宽高斯白噪声频谱取频带宽度为16Hz一10

5、24Hz，步长为16Hz，根据公式(1)计算带宽声压级分别为120dB、140dB和160dB的有限带宽高斯白噪声功率谱密度，数据如表1所示。表1有限带宽高斯自噪声功率谱密度2功率谱密度函数功率谱密度函数(PSD)是稳态随机过程的频沈阳航空工业学院学报第27卷图2声压级140dB噪声载荷时间波形式中G(力为功率谱密度函数。假设实测应力一时间历程为真实随机过程的一个典型样本，高斯过程的峰值概率密度函数可表述为：出)=吉倍唧[一赤】+等{⋯讲軎辐】)expc一参)(7，erf(茗)为概率积分(误差函数)，a表示随机载荷的不规则因子。(8)e矿=f忑1exp(一孚)如(9)E[J[)

6、]=K-IE[M，]．『：：s6p(s)ds(10)出了其平均功率的频率分布密度，考虑多模态复的速率E[0]：(m：厩，)¨；而对于宽带随机过杂结构的噪声响应，实现频域到时域的转换。程，E[M，]为应力峰值出现的速率科P]：，⋯翌于_二!警奎氅蛩芒孽二竺)。，．套粤域可以通(m。／m：)¨；p(。)为应力循环的概率密度函数；过均值纵表示，亨紫皇弩关函、聱表示为：⋯之，：为藉料；j‘曲线中确定的材料常数；Ⅳ，为韬冬5利，=、_(气!‘、z竺二丁)](2)祥发叠蠢竦时的怎狺蒜次篆。。。一一。～’式中E[·]为数学期望。⋯7⋯⋯⋯⋯～’⋯～s。(∞)=去，!：R。(f)e—如d丁(3

7、)3．1结构模态计算实际上，我们经常定义一个单边功率谱密度应用上述理论方法，对某型燃烧室火焰简模免(∞)，把双边PSD折算成单边为：型进行声激励计算。燃烧室火焰筒选取材料为高G“2is。。(o)∞：o(4)松比：p=o．3；密度：p=8．280×103k93／m3。模型一个PsD的凡阶谱矩定义为：厚度孝兰锥外环1mm，后锥壁1·2mm，外壁1·5r一。。，、．，。定模型材料和边界条件下，对所建立的模型进行2J0∞屯√∽幽(5’芋簇墓弄孬，装：茗量；纛巍羔夏嘉蔷荔蕃葬簇，f币垦怂11．且．无Z