● 摘要
在发动机叶片的故障模式中，振动疲劳引起的叶片断裂和掉角故障率很高，为提高整机的可靠性，必须提高叶片的可靠性，所以叶片减振技术是叶片设计中很重要的课题，其中增加凸肩或叶冠结构是降低叶片振动应力的常用技术。凸肩或叶冠结构能够降低叶片的振动应力，提高叶片刚度，并增大叶片的颤振裕度，但同时也带来重量增加问题，从而导致叶身根部及榫头喉部等高应力区域的应力上升。由此可见，如何充分利用凸肩或叶冠结构进行最有效的减振是叶片设计中的重要内容。与凸肩的强度相关的设计参数包括：凸肩的展向和弦向位置；凸肩接触面间的间隙；凸肩接触面的粗糙度；凸肩接触面的切向刚度；凸肩接触面斜切角。其中凸肩的展向和弦向位置需要从叶片的稳定性来考虑，即从防止发生颤振能力角度来设计，而其它几个方面是以使叶片的振动能量最小为目的来设计的，也就是怎样充分发挥凸肩阻尼器作用来设计这几个参数。凸肩接触面的间隙决定了其他几个参数能否发挥作用的关键，也决定了叶片在工作过程中接触面法向压力的变化规律。凸肩接触面之间的相对运动决定了摩擦力的数学表达，本文研究了凸肩接触面在一维、二维相对运动时的非线性摩擦力数学表达式。比较了非线性摩擦力的三种解法，其中轨迹跟踪法可以在任何相对运动关系下使用，包括三维接触，但计算速度较慢。在二维相对运动情况下，二维数学表达式与轨迹跟踪法计算结果基本相同。对于发动机盘片周期对称的结构，研究了一种用一个叶片来模拟整盘叶片的建模方式，计算规模较小，使直接法计算凸肩叶片的响应成为可能。将谐波平衡法、动柔度法结合有限元形成了一种求解动力方程方法，该方法求解速度很快，但因该方法的实质是一种模态叠加法，只是每阶模态分别迭代，收敛后再叠加，所以对于存在严重影响结构模态的非线性力系统，其计算结果会偏离实际。通过比较两种求解方法的计算结果发现：不同因素对叶片的峰值响应影响变化规律基本相同，但响应值差别较大。通过对接触面参数（法向正压力、摩擦系数、接触面切向刚度）、激振载荷、离心载荷、模态、材料对凸肩叶片动力响应的影响规律分析，验证凸肩接触面之间的压力值存在一个最优的法向正压力,并给出了在确定法向压力时需要遵循的原则。研究凸肩接触面法向正压力随发动机工作状态的变化规律，才可能给出工程中能够应用的凸肩设计准则。凸肩接触面之间的压力是发动机在工作状态下，因离心力的作用，叶片自身发生自然恢复扭转而提供的。因此叶片造型不同，其提供的凸肩接触面的压力也不同。只有清楚凸肩接触面的压力变化规律才能通过调节凸肩接触面之间的间隙来达到最好的减振效果。研究表明，不但发动机流道内气动参数的规律相似，而且发动机各构件的内力及构件之间的相互载荷及位移也存在着相似性。凸肩接触面间的法向压力能够用简单的数学表达式来描述，使凸肩接触面间隙的工程设计成为可能。本文通过试验验证了凸肩间隙设计方法的正确性。