考虑振动-冲击-摩擦的旋转叶片动力学特性研究*

王 娇 韩清凯 王相平 陈玉刚 刘尊旭 李学军 沙云东

1 引言

航空发动机属于高速叶轮机械，是复杂旋转机械的典型代表。在实际使用中，航空发动机出现的故障种类繁多，但主要体现为振动故障(vibration fault)[1]。航空发动机振动属于多部件、多层次的振动耦合问题，有效抑制航空发动机的振动，是衡量航空发动机整体性能的重要指标。

作为航空发动机的核心部件，叶片性能直接影响着发动机运行的安全性与稳定性。在中国现役机种中，曾多次出现由于振动过大，导致叶片产生疲劳断裂；由于转子不平衡、不对中或机匣热变形等因素，导致叶片叶尖与机匣发生接触碰撞，出现叶片发生断裂，甚至将外部机匣打穿等事故[2]。因此，实际工况下航空发动机叶片的动力学特性及其振动机理研究，不仅具有重要的学理价值，更具有重要的工程价值。

1.1 叶片动力学模型的研究

发动机在高转速下运转时，由于受到强大离心力作用，导致叶片刚度增加、自振频率增大。准确可靠地预测旋转态下叶片的自振频率(natural frequency)，对于叶片的初始设计及后续维修来说，一直是难以解决的科学问题和工程问题。考虑到以实验方法直接测量旋转态下叶片的自振频率所面临的诸多困难，以数值计算方法研究旋转态叶片在各种振型条件下的自振频率，对于叶片的优化设计具有重要意义[3]。

航空发动机的叶片振动以弯曲和扭转为主，在叶片扭向不大的情况下，解析计算可以采用薄板的弯曲和扭转理论来计算叶片的振型和自振频率。……