[发明专利]一种改进的旋转叶片-柔性机匣碰摩力确定方法

说明书

本发明涉及一种改进的旋转叶片‑柔性机匣碰摩力确定方法，属于叶片‑机匣系统碰摩动力学建模领域。其特征是考虑了叶片的离心刚化、旋转软化、科氏力效应以及与机匣碰摩导致的碰摩软化效应，同时，机匣采用带有弹簧支撑的柔性环来模拟，能考虑因碰摩产生的整体和局部变形。此外，本发明还建立了叶片‑机匣碰摩的新的碰摩力表征模型。本发明能够反映机匣半径、厚度等参数对叶片‑机匣碰摩力的影响，更能真实刻画真实叶片‑机匣的碰摩机制。与采用传统的有限元分析相比，该发明具有较高的计算效率和精度。此外，该发明还能极大地降低试验成本，并为叶片‑机匣系统结构的设计提供参考，以提升系统的性能和安全性。

技术领域

本发明属于机械动力学技术领域，具体涉及一种改进的旋转叶片-柔性机匣碰摩力确定方法，特别是涉及到包含了机匣柔性的碰摩力确定方法。

背景技术

在航空发动机中，叶片-机匣的碰摩会导致复杂的整机振动，降低系统的性能，缩短叶片和机匣的工作寿命。对于叶片与机匣的碰摩力研究，比较典型的有线性弹簧模型，该模型假定法向碰摩力与侵入深度成正比；考虑叶片旋转产生的离心刚化影响，将机匣假定为刚体，从而推导了相应的碰摩力模型；采用Hertz弹性接触模型研究碰摩力与侵入深度的关系。但现阶段的碰摩故障研究中机匣多假设为刚性体。叶片-机匣的碰摩过程中涉及到叶片旋转引起的离心刚化，旋转软化和科氏力效应，以及碰摩导致的碰摩软化效应，此外，碰摩过程中还会导致机匣的整体变形和局部变形。因此，建立准确的叶片-机匣碰摩力模型，对于叶片结构设计以及提高航空发动机整体性能具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种改进的旋转叶片-柔性机匣碰摩力确定方法，以考虑叶片的离心刚化、旋转软化和科氏力影响、碰摩导致的碰摩软化效应、以及机匣的柔性，从而准确确定旋转叶片-机匣的碰摩力。

一种改进的旋转叶片-柔性机匣碰摩力确定方法，包括以下步骤：

步骤1，确定旋转叶片的柔性变形；

将叶片简化为Timoshenko梁模型，计算叶片所受的离心力、气动力、法向接触力以及摩擦力。

步骤1-1，计算微元体的离心力为：df＝ρAω²(R_d+x)dx (1)

式中：ρ为材料密度；A为叶片截面面积；ω为叶片旋转角速度；R_d为叶片圆盘半径；x为叶片上任意点距叶片悬臂端的水平距离。

步骤1-2，将法向接触力，摩擦力和离心力分解为：

式中：F_n为法向接触力；L为叶片长度；F_t为摩擦力；θ_L为叶尖到圆盘圆心的线段与水平方向的夹角；θ_x为叶片上一点到圆盘圆心的线段与水平方向的夹角。

步骤1-3，由叶片上的力平衡和力矩平衡关系并略去高阶小量推导叶片的挠度曲线为：

其中

式中：μ为摩擦系数；E为杨氏模量；I为截面惯性矩；F_e为叶片所受的气动力。

步骤2，机匣采用柔性环建模，由能量法推导柔性机匣的变形；

步骤2-1，计算柔性环的弹性势能为：

式中：E_c为柔性环的杨氏模量；I_c为柔性环截面惯性矩；R_c为机匣半径；u_s径向柔性位移。

步骤2-2，依据功能互等定理,外力做功为：