一种航空发动机整机振动特性分析方法

1.一种航空发动机整机振动特性分析方法，其特征在于：将发动机整机系统隔离为转子系统、静子系统，通过支点系统将二者耦合起来，采用转、静子系统动力学特性联合仿真；
首先对发动机整机系统进行力学分析，转子系统是振动源，静子系统为响应体，转子振动能量以支反力的形式通过支点传递到静子系统，静子系统的响应就可反映整机振动特性；把一个复杂的几乎无法分析的庞大系统分隔为可分析的子系统，并通过动力学特性联合仿真将各系统有机的结合在一起，真实反映整机的实际状态，实现发动机整机振动特性的分析；
发动机整机包括转子系统和静子系统；转子在高速旋转时，产生激振力，转子和静子系统通过支承轴承相互耦合，转子产生的激振力以轴承支反力的形式作用于静子系统；此外，在某些特殊工况下，转静件会发生碰摩，产生碰摩力；
首先，将发动机整机系统隔离为转子系统和静子系统两个研究对象，然后应用有限元分析平台仿真分析转子系统在不平衡激振力和碰摩力作用下的振动响应及动态轴承支反力，得到静子系统的激励输入；最后，将得到的动态轴承支反力和碰摩力加载于静子系统，仿真分析其振动响应特性，从而得到发动机整机振动特性。
2.按照权利要求1所述的航空发动机整机振动特性分析方法，其特征在于：航空发动机整机振动特性分析方法，具体步骤：
1)首先应用三维CAD软件建立转子系统和静子系统的三维几何模型，然后利用有限元工具对模型进行网格划分、零件连接方式处理、边界条件施加，建立转子系统、静子系统的有限元模型；
2)应用多自由度强迫振动理论，对转子系统有限元模型进行验证；进行静子系统模态实验，根据模态实验结果对静子系统有限元模型进行验证和修正；
3)建立高压涡轮-静子机匣的局部碰摩模型，进行非线性接触分析，得到碰摩力随径向相对位移的变化关系；
4)应用有限元软件的转子动力学计算分析功能，仿真计算转子系统在不平衡量作用下的振动响应；根据发动机试车中的典型故障，调整不平衡量大小、分布以及有无碰摩的组合工况，得到不同工况下的动态轴承支反力；
5)将不同工况下的动态轴承支反力和碰摩力施加在静子系统上，进行静子机匣的振动响应特性计算；标准工况下某一振动测点0～4阶范围的振动谱图阶次，1阶对应高压转子模型的频率振动，0.61阶对应低压转子模型的频率振动；
6)将静子机匣的振动响应仿真结果与典型发动机试车中响应的实测数据进行对比分析，以验证所建的模型和计算方法的正确性；进一步分析机匣关键测点的振动响应值对不平衡量大小、分布及碰摩的敏感程度，得到发动机的整机振动特性。

一种航空发动机整机振动特性分析方法
技术领域
[0001] 本发明涉及航空发动机整机振动分析领域，特别涉及了一种航空发动机整机振动特性分析方法。
背景技术
[0002] 目前对于发动机整机振动特性研究主要局限于转子系统独立的特性分析，得到的结果与发动机实际工况相符性差，对于转、静子系统特性联合研究相对较少，对工程的指导性不强。
[0003] 随着控制航空发动机振动故障的需求迫切性越来越强，对分析结果的准确性、真实性和全面性要求越来越高，迫切需要针对发动机整机系统进行全三维转静子动力学特性联合仿真分析，指导发动机的设计、装配和排振，保证发动机工作的可靠性，减少振动故障的发生。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为发动机生产中振动故障的控制和外场使用可靠性提供坚实的技术保障，特提供了一种航空发动机整机振动特性分析方法。
[0005] 本发明提供了一种航空发动机整机振动特性分析方法，其特征在于：将发动机整机系统隔离为转子系统、静子系统，通过支点系统将二者耦合起来，采用转、静子系统动力学特性联合仿真；
[0006] 首先对发动机整机系统进行力学分析，转子系统是振动源，静子系统为响应体，转子振动能量以支反力的形式通过支点传递到静子系统，静子系统的响应就可反映整机振动特性。把一个复杂的几乎无法分析的庞大系统分隔为可分析的子系统，并通过动力学特性联合仿真将各系统有机的结合在一起，真实反映整机的实际状态，实现发动机整机振动特性的分析；
[0007] 发动机整机包括转子—支承系统和静子承力系统。转子在高速旋转时，产生激振力，转子和静子承力系统通过支承轴承相互耦合，转子产生的激振力以轴承支反力的形式作用于静子承力系统。此外，在某些特殊工况下，转静件会发生碰摩，产生碰摩力。
[0008] 首先，将发动机整机系统隔离为转子—支承系统和静子承力系统两个研究对象，然后应用有限元分析平台仿真分析转子—支承系统在不平衡激振力和碰摩力作用下的振动响应及动态轴承支反力，得到静子系统的激励输入。最后，将得到的动态轴承支反力和碰摩力加载于静子承力系统，仿真分析其振动响应特性，从而得到发动机整机振动特性。
[0009] 航空发动机整机振动特性分析方法，具体步骤：
[0010] 1）首先应用三维CAD软件建立转子—支承系统和静子承力系统的三维几何模型，然后利用有限元工具对模型进行网格划分、零件连接方式处理、边界条件施加等，建立转子—支承系统、静子承力系统的有限元模型。
[0011] 2）应用多自由度强迫振动理论，对转子—支承系统有限元模型进行验证；进行静子承力系统模态实验，根据模态实验结果对有限元模型进行验证和修正。
[0012] 3）建立高压涡轮-静子机匣的局部碰摩模型，进行非线性接触分析，得到碰摩力随径向相对位移的变化关系（图2）。
[0013] 4）应用有限元软件的转子动力学计算分析功能，仿真计算转子—支承系统在不平衡量作用下的振动响应。根据发动机试车中的典型故障，调整不平衡量大小、分布以及有无碰摩的组合工况，得到不同工况下的动态轴承支反力。
[0014] 5）将不同工况下的动态轴承支反力和碰摩力施加在静子承力系统上，进行静子机匣的振动响应特性计算。图3显示了标准工况下某一振动测点（0～4）阶范围的振动谱图阶次，1阶对应高压转子模型的频率振动，0.61阶对应低压转子模型的频率振动。图4是仿真计算得到的对应某一振动测点中水速度频谱图，图中显示在45Hz、75Hz、109Hz、148Hz、
245Hz、300Hz频率点出现了较高的响应峰值，其中148Hz、245Hz分别对应低压转子和高压转子的工作频率，而45Hz、75Hz、109Hz、300Hz是静子机匣自由振动的固有频率。测试频谱图与计算频谱图在148Hz、245Hz、300Hz频率点的响应峰值有很好的吻合性。
[0015] 6）将静子机匣的振动响应仿真结果与典型发动机试车中响应的实测数据进行对比分析，以验证所建的模型和计算方法的正确性。进一步分析机匣关键测点的振动响应值对不平衡量大小、分布及碰摩的敏感程度，得到发动机的整机振动特性。
[0016] 整机振动故障严重困扰发动机生产及外场使用安全，必须对发动机整机振动特性和机理进行深入研究，而传统分析方法无法真实模拟发动机实际结构和工况，分析结果的参考性差。而整机全三维仿真则使模型过于庞大，无法实现计算。因此，将发动机整机系统隔离为转子系统、静子系统，通过支点系统将二者耦合起来，采用转、静子系统动力学特性联合仿真，解决该问题。
[0017] 本发明的优点：
[0018] 目前航空发动机整机振动特性分析基本都是基于高度简化的一维或二维转子动力学模型，随着航空发动机技术的发展，对整机振动特性分析的需求也越来越强，传统的分析方法局限性越来越明显。开展全三维转、静子动力学特性联合仿真分析进行整机振动特性研究可有效解决该问题，具有十分重大的意义，本发明的实施有助于提升航空发动机从业人员的技术素质，减少航空发动机设计中的故障隐患，并为出现的发动机振动故障提供决策依据和技术支撑。
附图说明
[0019] 下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
[0020] 图1为技术方案流程简图；
[0021] 图2为碰摩力随径向相对位移的变化关系图；
[0022] 图3为振动测点的试验速度频谱图；
[0023] 图4为振动测点的仿真计算速度频谱图。
具体实施方式
[0024] 实施例
[0025] 本实施例提供了一种航空发动机整机振动特性分析方法，其特征在于：将发动机整机系统隔离为转子系统、静子系统，通过支点系统将二者耦合起来，采用转、静子系统动力学特性联合仿真；
[0026] 首先对发动机整机系统进行力学分析，转子系统是振动源，静子系统为响应体，转子振动能量以支反力的形式通过支点传递到静子系统，静子系统的响应就可反映整机振动特性。把一个复杂的几乎无法分析的庞大系统分隔为可分析的子系统，并通过动力学特性联合仿真将各系统有机的结合在一起，真实反映整机的实际状态，实现发动机整机振动特性的分析；
[0027] 发动机整机包括转子—支承系统和静子承力系统。转子在高速旋转时，产生激振力，转子和静子承力系统通过支承轴承相互耦合，转子产生的激振力以轴承支反力的形式作用于静子承力系统。此外，在某些特殊工况下，转静件会发生碰摩，产生碰摩力。
[0028] 首先，将发动机整机系统隔离为转子—支承系统和静子承力系统两个研究对象，然后应用有限元分析平台仿真分析转子—支承系统在不平衡激振力和碰摩力作用下的振动响应及动态轴承支反力，得到静子系统的激励输入。最后，将得到的动态轴承支反力和碰摩力加载于静子承力系统，仿真分析其振动响应特性，从而得到发动机整机振动特性。
[0029] 航空发动机整机振动特性分析方法，具体步骤：
[0030] 1）首先应用三维CAD软件建立转子—支承系统和静子承力系统的三维几何模型，然后利用有限元工具对模型进行网格划分、零件连接方式处理、边界条件施加等，建立转子—支承系统、静子承力系统的有限元模型。
[0031] 2）应用多自由度强迫振动理论，对转子—支承系统有限元模型进行验证；进行静子承力系统模态实验，根据模态实验结果对有限元模型进行验证和修正。
[0032] 3）建立高压涡轮-静子机匣的局部碰摩模型，进行非线性接触分析，得到碰摩力随径向相对位移的变化关系（图2）。
[0033] 4）应用有限元软件的转子动力学计算分析功能，仿真计算转子—支承系统在不平衡量作用下的振动响应。根据发动机试车中的典型故障，调整不平衡量大小、分布以及有无碰摩的组合工况，得到不同工况下的动态轴承支反力。
[0034] 5）将不同工况下的动态轴承支反力和碰摩力施加在静子承力系统上，进行静子机匣的振动响应特性计算。图3显示了标准工况下某一振动测点（0～4）阶范围的振动谱图阶次，1阶对应高压转子模型的频率振动，0.61阶对应低压转子模型的频率振动。图4是仿真计算得到的对应某一振动测点中水速度频谱图，图中显示在45Hz、75Hz、109Hz、148Hz、
245Hz、300Hz频率点出现了较高的响应峰值，其中148Hz、245Hz分别对应低压转子和高压转子的工作频率，而45Hz、75Hz、109Hz、300Hz是静子机匣自由振动的固有频率。测试频谱图与计算频谱图在148Hz、245Hz、300Hz频率点的响应峰值有很好的吻合性。
[0035] 6）将静子机匣的振动响应仿真结果与典型发动机试车中响应的实测数据进行对比分析，以验证所建的模型和计算方法的正确性。进一步分析机匣关键测点的振动响应值对不平衡量大小、分布及碰摩的敏感程度，得到发动机的整机振动特性。
[0036] 整机振动故障严重困扰发动机生产及外场使用安全，必须对发动机整机振动特性和机理进行深入研究，而传统分析方法无法真实模拟发动机实际结构和工况，分析结果的参考性差。而整机全三维仿真则使模型过于庞大，无法实现计算。因此，将发动机整机系统隔离为转子系统、静子系统，通过支点系统将二者耦合起来，采用转、静子系统动力学特性联合仿真，解决该问题。