● 摘要
整机振动问题是航空发动机研制和使用过程中贯穿始终的共性问题，而转子系统振动响应的非线性是造成整机振动问题难以解决的重要原因之一。基于传统线性理论的设计不能准确反映工作状态，一方面可能导致工作状态下的故障，另一方面又可能使设计裕度过大，造成浪费。目前考虑支承非线性的转子系统动力响应研究较少，尚缺乏有效的适用于发动机复杂转子系统的建模和求解方法。因此，开展带非线性支承转子系统动力学响应研究具有重要的工程意义。本论文从航空发动机转子支承系统的结构特征和载荷工况出发，分别建立了主轴常用的滚球轴承和滚棒轴承刚度计算模型和求解方法，通过数值计算分析了刚度非线性产生的机理及特征，在此基础上建立了可反映航空发动机支承结构特征的等效支承刚度模型，并研究了带非线性支承刚度的转子系统的动力响应特征。针对航空发动机主轴常用的双向推力角接触球轴承和向心短圆柱滚棒轴承，基于拟静力学法建立了能够全面考虑轴承结构特征和工况载荷的轴承刚度力学模型，编制了相应的计算求解程序，运用该方法对某型高推重比涡扇发动机主轴上使用的五个滚动轴承进行了刚度特性分析，得到了影响轴承刚度的主要因素及影响规律。根据典型的航空发动机转子系统支承结构，介绍了各支承部件的刚度特征，阐述了支承系统等效刚度模型的建立过程。以某型发动机支点等效支承刚度为例，验证了本文方法在工程应用中的可行性，并得到了支点等效支承刚度的特性。基于通用有限元程序Ansys平台，对带非线性支承的简单单盘转子进行了动力响应分析，并与线性系统的计算结果做了对比，说明了考虑支承非线性对系统动力响应的影响。进一步将本文方法应用到某实际发动机的高压转子系统动力响应分析中，说明了本文方法在工程中应用的可行性和有效性。