一种压气机叶片机械阻尼的系统辨识方法与流程

本发明涉及压气机叶片，具体涉及一种压气机叶片机械阻尼的系统辨识方法。

背景技术：

1、为提升航空发动机性能，现代压气机设计中多采用三维弯掠叶片造型技术，生产加工中大量使用轻质合金或复合材料，具有质量轻、压比高、气动负荷高等特征。压气机的动、静叶片排轴向间隙也越来越小，动、静叶片排之间的非定常干扰加剧。其中，转静子叶片受到尾迹、势干扰、激波等非定常气动激励影响导致的振动问题已成为发动机设计和试验中必须克服的难题之一。目前，叶片高周疲劳失效、断裂故障等可靠性问题显著地影响了发动机的设计定型周期、维修成本和使用寿命。

2、强迫响应是研究叶片在受到上下游叶片排的周期性气动激励(尾迹、势干扰、进口畸变以及激波等)后的叶片振动响应。当外部激励频率与叶片的某个固有频率相同时，透发共振，可能导致高周循环疲劳失效。叶轮机械设计师可以通过campbell图上叶片固有频率与气动激励的交点预测可能发生共振的危险转速，并通过调整叶片固有频率(如改变叶片的最大厚度以及最大厚度位置等)避开工作转速内的可能发生共振的危险点。然而在工程实际中，设计师很难避开低转速区的共振点以及高阶模态对应的振型。压气机叶片强迫响应的预测不仅需要考虑非定常激振力，还需要考虑阻尼比，在当前条件下可以通过数值计算得到压气机叶片的气动阻尼，但是无法准确给定叶片的机械阻尼，目前大多采取直接给定机械阻尼等于气动阻尼的办法或者根据经验给定常数进行简化，因此准确预测强迫振动难度较大。

技术实现思路

1、为解决上述问题，尤其是针对现有技术所存在的不足，本发明提供了一种压气机叶片机械阻尼的系统辨识方法能够解决上述问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

3、一种压气机叶片机械阻尼的系统辨识方法，具体方法如下：

4、步骤一、通过多级压气机定常cfd计算确定工况，并作为初场，开展非定常cfd计算，从而获取各个叶片的气动激振力时域信号；

5、步骤二、基于步骤一的气动非定常计算结果和强度有限元分析开展叶片模态力幅值f和相位θ计算；

6、步骤三、对叶片以行波模式振动的激励条件下，结合影响系数法计算不同节径下的气动阻尼，对所有不同节径下的气动阻尼求算平均气动阻尼系数

7、步骤四、在压气机试验件上布置各级叶片动应力测点，试验中测得典型状态下叶片的振动响应值，并将其转换为叶片广义位移q；

8、步骤五、最后将上述步骤得到的模态力幅值f、相位θ、叶片广义位移q、平均气动阻尼系数带入下式，得到叶片的机械阻尼：

9、

10、本发明进一步的方案为，所述步骤二中，模态力幅值f的计算如下：

11、f(t)＝φtfa＝∫∫sp(t)(φxnx+φyny+φznz)ds

12、其中，积分域s为叶片表面，p(t)为叶片表面所受非定常压力，φx、φy、φz分别为模态位移φ在x、y、z方向上的投影，nx、ny、nz分别为叶片表面微元ds的三个方向法向量。

13、本发明进一步的方案为，所述步骤二中，相位θ的计算如下：

14、选取一个转动周期内的时域模态力，对其进行快速傅里叶变换；

15、

16、其中，t为转子振动周期，j为虚数单位，k为谐波阶数，k∈z，ω为激励频率；

17、根据f(kω)可得到模态力的频率分布，即可确定tyler-sofrin模态表达式的取值；

18、每个叶片上的模态力由不同的tyler-sofrin模态线性叠加而成：

19、

20、其中，[.]表示向下取整，θi为第i个叶片的周向角度，取值范围为{θi[0<θi＜2π,i＝1,2,…,n]}，为i节径tyler-sofrin模态的分量，为第i个叶片所受某一固有频率ω0的模态力分量，通过求解上式线性方程组，可得所有节径下的模态力，随即可得模态力幅值f与相位θ。

21、本发明进一步的方案为，所述步骤三中，平均气动阻尼系数的计算方法如下：

22、指定中间0号叶片以其振型和固有频率ω0作小幅简谐振动，其他叶片保持静止状态，计算所有叶片上的模态力fi(ω0)，相邻叶片振动之间相差固定的叶间相位角：

23、

24、n为叶片数，nd为周向节径数，取值范围为则相邻的第i号叶片振动在第0号叶片上产生的模态力为：

25、

26、基于线性叠加原理，当叶片以叶间相位角σ的行波振动时，0号叶片所受的气动功为：

27、

28、不同叶间相位角下的气动阻尼系数为：

29、

30、对其求算数平均得到平均气动阻尼系数：

31、

32、本发明的有益效果：

33、本发明提出了一种压气机叶片机械阳尼的系统辨识方法，对叶片振动的结构动力学方程进行降阶，使用模态缩减法，将其简化为单自由度的质量-弹簧-阻尼振子方程。通过cfd数值模拟得到叶片的模态力和气动阻尼，通过叶片动应力响应测量试验得到叶片各模态的响应值，求解降阶的结构动力学方程，最终获得叶片在多级环境中的真实机械阻尼。在实际工程应用中，通常会在压气机性能试验件或核心机试验件上布置叶片的动应力测点，基于实测数据反算得到的机械阻尼，可有效提高后续叶型优化以及衍生型号的叶片改型设计中的叶片强迫响应预测精度和可信度，对于增强压气机叶片的疲劳寿命发挥着至关重要的作用，最终达到降低研制风险、缩短周期、节约经费的目的。

技术特征：

1.一种压气机叶片机械阻尼的系统辨识方法，其特征在于，具体方法如下：

2.根据权利要求1所述的一种压气机叶片机械阻尼的系统辨识方法，其特征在于，所述步骤二中，模态力幅值f的计算如下：

3.根据权利要求1所述的一种压气机叶片机械阻尼的系统辨识方法，其特征在于，所述步骤二中，相位θ的计算如下：

4.根据权利要求1所述的一种压气机叶片机械阻尼的系统辨识方法，其特征在于，所述步骤三中，平均气动阻尼系数的计算方法如下：

技术总结
本发明公开为一种压气机叶片机械阻尼的系统辨识方法，方法如下：通过多级压气机定常CFD计算确定工况，并作为初场，开展非定常CFD计算；基于气动非定常计算结果和强度有限元分析开展叶片模态力幅值f和相位θ计算；结合影响系数法计算不同节径下的气动阻尼，对所有不同节径下的气动阻尼求算平均气动阻尼系数试验中测得典型状态下叶片的振动响应值，并将其转换为叶片广义位移q；将模态力幅值f、相位θ、叶片广义位移q、平均气动阻尼系数带入公式，得到叶片的机械阻尼。有益效果：得叶片在多级环境中的真实机械阻尼，基于得到的机械阻尼，可有效提高后续叶型优化以及衍生型号的叶片改型设计中的叶片强迫响应预测精度和可信度。

技术研发人员：黄璜,钱文韬,俞骏,张方明
受保护的技术使用者：天目山实验室
技术研发日：
技术公布日：2025/4/6