● 摘要
在先进航空发动机设计中不断缩小发动机转静件间隙以提高发动机性能，再加之转静件之间大量采用了各种封严措施，从而使得转静件间极易发生碰摩。转、静子碰摩在结构形式上可分为：转动叶片与机匣的碰摩，其主要力学特征表现为局部冲击激励和疲劳损伤；转动鼓筒与静子件碰摩，其力学特征表现为，旋转壳振动响应和高周疲劳损伤；转子轴系在碰摩约束状态下的动力特性，其力学特征是转子系统振动响应和在约束状态下振动特性变化。研究涡扇发动机典型的碰摩现象、物理过程、力学特征及其对构件的损伤评估方法的理论分析、仿真计算对航空发动机动力学设计和故障排除具有重要学术价值和工程应用意义。
虽然目前对旋转机械转静件碰摩特征的研究及分析手段都有了长足的进步。但由于航空发动机整机结构复杂、转静件结构各异，同时碰摩又是一种与结构特征和运动状态密切相关的非线性动力学行为。本文针对在航空发动机中，几种典型的转静结构件碰摩现象及其动力学响应特征，开展碰摩过程、力学特征、计算方法的研究工作。分别对旋转叶片与机匣碰摩的力模型及其相应的数值计算方法、碰摩过程及响应特征、旋转壳体动力特性和碰摩激励下响应特征等关键问题进行理论和计算方法研究，并结合航空发动机研制过程中的碰摩故障进行故障激励及其控制方法研究，同时也验证了本文方法的有效性。主要研究内容如下：
1) 建立基于航空发动机结构特征的转静件碰摩过程瞬态动力学分析模型，以有限元法描述航空发动机转静件复杂结构的几何特征和动力学特征，通过引入接触力学特征参数描述转静件结构在碰撞摩擦瞬态过程中的动态力学关系。
2）针对航空发动机典型碰摩力学特征，提出径向、周向冲击和非光滑约束的转子与静子碰撞力学模型，解释旋转叶片-机匣碰摩、旋转壳-静子碰摩及碰摩位移约束转子系统动力特性的影响的力学机理。
3）根据航空发动机转静件弹性碰摩力学特征，建立基于结构特征的转静件碰摩过程瞬态动力分析模型。以有限元法离散真实结构描述航空发动机转静件复杂结构的几何特征和动力学特征，采用对称罚函数方法描述转静件结构间在碰撞摩擦瞬态过程中的动态力学关系，结合显-隐式积分求解序列建立了高效、保真的数值积分求解航空发动机转静件碰摩响应的数值算法。
4）基于有限元瞬态振动响应求解计算方法，提出用于多截面、多频率激励下转子系统的稳态动力响应的计算和分析方法，将时域瞬态结果中的受迫振动阶段响应用于稳态不平衡响应的时/频分析，物理意义明确，具有工程实用性，可有效分析复杂不平衡激励下的稳态动力响应问题。