關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路的振動(dòng)響應(yīng)分析論文
發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的核心部件，發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境通常十分惡劣，管路系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動(dòng)故障往往會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行失常，產(chǎn)生各種事故。通過對發(fā)動(dòng)機(jī)管路進(jìn)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(dòng)機(jī)外部管路的振動(dòng)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(dòng)機(jī)外部管路的振動(dòng)響應(yīng)分析全文如下：
【摘要】：針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)需求,采用基于試車實(shí)測數(shù)據(jù)的振動(dòng)響應(yīng)求解方法,對典型管路的振動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行了計(jì)算分析。研究結(jié)果表明:在風(fēng)扇機(jī)匣位置的管路主要承受轉(zhuǎn)子不平衡和風(fēng)扇氣動(dòng)激勵(lì),表現(xiàn)為典型的簡諧激勵(lì)特征,可采用諧響應(yīng)分析方法求解其振動(dòng)響應(yīng)。低階振型對管路的動(dòng)態(tài)特性起決定作用,振動(dòng)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(dòng)和氣動(dòng)噪聲激勵(lì),表現(xiàn)為典型的隨機(jī)激勵(lì)特征,可采用動(dòng)力學(xué)譜密度方法求解其振動(dòng)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(dòng)響應(yīng) 外部管路 振動(dòng)環(huán)境 功率譜密度 諧響應(yīng)分析 動(dòng)力學(xué)譜分析 航空發(fā)動(dòng)機(jī)
引言
長期以來，由振動(dòng)引起的航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路失效一直是影響發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的重要問題之一。如某渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)定型試飛時(shí)發(fā)生油管破裂，造成2級(jí)事故;配裝某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)返回時(shí)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(dòng)故障囚。因此，研究發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路的振動(dòng)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(jìn)行模態(tài)分析計(jì)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(dòng)機(jī)外部管路的研究大多局限于管路的固有振動(dòng)特性，而忽略了管路所處的環(huán)境對其振動(dòng)響應(yīng)的影響。
由于管路的振動(dòng)響應(yīng)與激勵(lì)環(huán)境密切相關(guān)，本文首先通過對發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)分析，得到管路外部振動(dòng)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(jī)匣外部管路和燃燒室外部管路進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算分析，獲得管路在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)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(jì)提供技術(shù)參考。
1航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路振動(dòng)環(huán)境
管路多安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣外部，承受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡激勵(lì)、附件傳動(dòng)齒輪嚙合激勵(lì)、氣動(dòng)激勵(lì)以及燃燒噪聲等載荷的綜合作用，當(dāng)激勵(lì)頻率與管路系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)，將引起管路共振導(dǎo)致較大的振動(dòng)應(yīng)力。由于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣不同截面振動(dòng)能量的頻域分布特征并不相同，必須基于發(fā)動(dòng)機(jī)試車中的實(shí)測數(shù)據(jù)獲取各管路的振動(dòng)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(dòng)機(jī)機(jī)匣典型截面位置的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)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(hào)的頻率特性，從而確定發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路安裝位置的振動(dòng)環(huán)境特征。
1.2試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)測得風(fēng)扇機(jī)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(dòng)測試結(jié)果，可知安裝于風(fēng)扇機(jī)匣位置的管路主要承受風(fēng)扇葉片的氣動(dòng)激勵(lì)16X，高、低壓轉(zhuǎn)子的不平衡激勵(lì)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(dòng)測試結(jié)果可知，燃燒室、渦輪后機(jī)匣的振動(dòng)能量主要來自于燃燒室火焰脈動(dòng)和氣動(dòng)噪聲激勵(lì)，因此在5002800 H z較寬的頻段內(nèi)一直具有較大的振動(dòng)能量分布，表現(xiàn)為隨機(jī)激勵(lì)的頻域特征;其次是高、低壓轉(zhuǎn)子不平衡激勵(lì)及其倍頻成分。這與文獻(xiàn)得到的結(jié)論一致。
1.3結(jié)果分析
通過對發(fā)動(dòng)機(jī)外部振動(dòng)環(huán)境的測試，可以得出以下結(jié)論:
(1)在風(fēng)扇機(jī)匣位置的管路主要承受轉(zhuǎn)子不平衡及其倍頻激勵(lì)和風(fēng)扇氣動(dòng)激勵(lì)等，表現(xiàn)為典型的簡諧激勵(lì)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(dòng)和氣動(dòng)噪聲激勵(lì)，表現(xiàn)為典型的隨機(jī)激勵(lì)特征。
2 風(fēng)扇機(jī)匣外部管路的振動(dòng)響應(yīng)分析
根據(jù)激勵(lì)環(huán)境測試結(jié)果，安裝在風(fēng)扇機(jī)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(dòng)響應(yīng)進(jìn)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(dòng)情況，并進(jìn)一步通過改善激勵(lì)和結(jié)構(gòu)來達(dá)到降低振動(dòng)響應(yīng)的目的。
2.1有限元模型及邊界條件
某發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)算結(jié)果分析對管路的有限元模型進(jìn)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(dòng)機(jī)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(diǎn)的頻率 - 位移響應(yīng)曲線。在相同幅值激勵(lì)作用下，低階模態(tài)的振動(dòng)響應(yīng)遠(yuǎn)大于高階模態(tài)的。因此，低階振型對管路的動(dòng)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(dòng)響應(yīng)在 3個(gè)方向均有一定體現(xiàn)，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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(jī)匣外部管路的振動(dòng)響應(yīng)分析
根據(jù)激勵(lì)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(jī)性載荷作用。本文將根據(jù)某發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工況，參照文獻(xiàn)中所述方法，對其振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和歸納，得到其振動(dòng)功率譜密度，如圖7所示。將其定義為某管路的基礎(chǔ)激勵(lì)，然后采用動(dòng)力學(xué)譜分析的方法對管路進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)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(gè)已知的譜聯(lián)系起來計(jì)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(jī)載荷或隨時(shí)間變化載荷的動(dòng)力響應(yīng)。功率譜密度實(shí)際上就是將原來對時(shí)間域的振動(dòng)描述轉(zhuǎn)化為對頻率域的振動(dòng)描述，反映了隨機(jī)過程統(tǒng)計(jì)參量均方值在頻率域上的分布，即在各頻率域上，振動(dòng)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(jìn)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(jìn)入后處理，針對某點(diǎn)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(jī)載荷作用下，主要對第 1 階振型振動(dòng)敏感，表現(xiàn)為彎曲振動(dòng)的響應(yīng)特征。
4 結(jié)論
在風(fēng)扇機(jī)匣位置的管路主要承受轉(zhuǎn)子不平衡及其倍頻激勵(lì)"風(fēng)扇氣動(dòng)激勵(lì)等，表現(xiàn)為典型的簡諧激勵(lì)特征，可采用諧響應(yīng)分析方法求解其振動(dòng)響應(yīng)。低階振型對管路的動(dòng)態(tài)特性起決定作用，振動(dòng)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(dòng)和氣動(dòng)噪聲激勵(lì)，表現(xiàn)為典型的隨機(jī)激勵(lì)特征。可采用動(dòng)力學(xué)譜密度方法求解其振動(dòng)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。
參考文獻(xiàn)：
[1] Barry L S. The importance of engine external's health [C]//The 7thInternational Symposium on Transport Phenomena and Dynamics ofRotating Machinery, 1998, 572-580.
[2] 林君哲，周恩濤，杜林森，等. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)振動(dòng)機(jī)制及故障診斷研究綜述[J]. 機(jī)床與液壓，2013(1)：163-164，141.
LIN Junzhe，ZHOU Entao，DU Linsen，et al. Literature review onvibration mechanism and fault diagnosis of the pipe system ofaeroengine [J]. Machine Tool and Hydraulics，2013(1)：163-164，141.(in Chinese)
相關(guān)文章：
關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路的振動(dòng)響應(yīng)分析論文
