旋轉(zhuǎn)葉片-機(jī)匣系統(tǒng)碰摩動力學(xué)
針對航空發(fā)動機(jī)葉片-機(jī)匣碰摩和葉冠之間的碰撞現(xiàn)象，《旋轉(zhuǎn)葉片-機(jī)匣系統(tǒng)碰摩動力學(xué)》介紹了葉片、轉(zhuǎn)子-葉片、轉(zhuǎn)軸.盤片系統(tǒng)的動力學(xué)建模方法，葉片-機(jī)匣碰摩力模型，以及碰摩激發(fā)的葉片、機(jī)匣和轉(zhuǎn)子復(fù)雜的非線性振動現(xiàn)象等新的理論研究成果。主要內(nèi)容包括：建立了描述旋轉(zhuǎn)葉片振動的梁、板、殼解析和有限元模型，轉(zhuǎn)子-葉片系統(tǒng)動力學(xué)模型，分析了系統(tǒng)的耦合振動響應(yīng)；開發(fā)了葉片-彈性機(jī)匣碰摩力模型，并通過實驗驗證了模型的有效性；建立帶冠葉片碰撞模型，分析了葉冠碰撞導(dǎo)致的葉片復(fù)雜非線性振動響應(yīng)；考慮榫槽-榫頭界面接觸影響，建立了盤片系統(tǒng)有限元模型，分析碰摩對榫連接觸特性的影響；考慮轉(zhuǎn)子渦動影響，建立了轉(zhuǎn)子-葉片-機(jī)匣系統(tǒng)和轉(zhuǎn)軸-盤片-機(jī)匣系統(tǒng)碰摩動力學(xué)模型，分析了碰摩條件下葉片、機(jī)匣和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動響應(yīng)。
《旋轉(zhuǎn)葉片-機(jī)匣系統(tǒng)碰摩動力學(xué)》可為高等學(xué)校機(jī)械、動力、航空、力學(xué)等專業(yè)的研究生提供學(xué)習(xí)參考，也可為機(jī)械動力學(xué)、故障診斷，特別是轉(zhuǎn)子動力學(xué)等領(lǐng)域的科技和工程技術(shù)人員提供學(xué)習(xí)參考。
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《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃中對發(fā)展航空裝備有明確規(guī)定：“加快大型飛機(jī)研制，適時啟動寬體客機(jī)研制，鼓勵國際合作研制重型直升機(jī)；推進(jìn)干支線飛機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)和通用飛機(jī)產(chǎn)業(yè)化。突破高推重比、先進(jìn)渦槳（軸）發(fā)動機(jī)及大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)技術(shù)，建立發(fā)動機(jī)自主發(fā)展工業(yè)體系。開發(fā)先進(jìn)機(jī)載設(shè)備及系統(tǒng)，形成自主完整的航空產(chǎn)業(yè)鏈。”現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)設(shè)計中，為了提高發(fā)動機(jī)性能、增加推重比，采取的主要措施之一就是減小旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)定子之間的間隙，從而致使轉(zhuǎn)定子碰摩的可能性急劇增大，與碰摩相關(guān)的整機(jī)振動問題也日益增多，另外，也可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故、造成重大經(jīng)濟(jì)損失。例如，美國運輸部報道：在1962～1976年的417百萬飛行小時中，10.2%的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子事故是由轉(zhuǎn)定子碰摩引起的；1994～1996年，發(fā)動機(jī)碰摩故障導(dǎo)致4架F-16'戰(zhàn)斗機(jī)失事，另有多架直升機(jī)直接或間接因發(fā)動機(jī)碰摩故障而被迫停飛。
航空發(fā)動機(jī)碰摩主要出現(xiàn)在葉片和機(jī)匣以及鼓筒和靜子葉片之間，其中葉片-機(jī)匣碰摩更為危險。這是因為葉尖處有更高的線速度，碰摩能量大，對葉片振動的影響也大。葉片-機(jī)匣碰摩涉及更加復(fù)雜的沖擊過程，主要體現(xiàn)在：碰撞發(fā)生在柔性體與柔性體間，碰撞力將主要取決于碰撞柔性體本身的整體變形，而非局部變形；由于葉尖與線速度方向有一定的夾角，葉片碰撞為斜碰撞，容易誘發(fā)葉片的彎扭耦合變形；葉片在碰摩過程中，自身位置有明顯的移動，所以沖擊不能看成是瞬時的。葉片.涂層／未涂層機(jī)匣碰摩激振機(jī)理及涂層磨損機(jī)理，目前已成為重要的研究熱點之一。
葉片-機(jī)匣碰摩研究主要包括：①開發(fā)新的葉片.彈性機(jī)匣及葉片-涂層機(jī)匣碰摩模型；②將葉片簡化為懸臂梁、懸臂板及采用真實葉片幾何尺寸建立的殼和實體有限元模型等，研究懸臂葉片.機(jī)匣碰摩導(dǎo)致的葉片振動響應(yīng)，考慮盤片耦合、轉(zhuǎn)子，葉片耦合的影響（轉(zhuǎn)子主要指轉(zhuǎn)軸及軸上的剛性輪盤），研究碰摩激發(fā)的葉片、機(jī)匣振動和轉(zhuǎn)子渦動之間的耦合特性；③考慮機(jī)匣封嚴(yán)涂層的影響，研究葉片.涂層碰摩對葉片振動和涂層磨損的影響規(guī)律；④基于機(jī)匣、轉(zhuǎn)子和葉片振動響應(yīng)，對葉片.機(jī)匣碰摩位置、碰摩程度以及碰摩形式進(jìn)行故障診斷；⑤在滿足一定的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)相似的情況下，開展葉片，機(jī)匣碰摩實驗研究，為驗證和修訂仿真動力學(xué)模型提供參考。
本書針對葉片、盤片和轉(zhuǎn)子.葉片3種結(jié)構(gòu)形式，重點介紹以下幾個方面的內(nèi)容：①采用解析和有限元方法，通過梁、等厚度直板、等厚度扭板、變厚度殼模型來模擬單葉片振動；②考慮榫槽.榫頭接觸，建立盤片有限元模型，分析葉尖局部碰摩對葉片振動和榫連接觸特性的影響；⑨將葉片簡化為梁，忽略輪盤的柔性影響，采用解析和有限元組合方法，建立轉(zhuǎn)子-葉片耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型，考慮輪盤的柔性影響，基于有限元方法建立轉(zhuǎn)軸.盤片耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型；④考慮葉冠質(zhì)量對旋轉(zhuǎn)帶冠葉片固有特性的影響，采用旋轉(zhuǎn)懸臂梁理論，建立帶有葉尖質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)葉片動力學(xué)模型，并分析相關(guān)參數(shù)對旋轉(zhuǎn)帶冠葉片碰撞振動響應(yīng)的影響；⑤考慮機(jī)匣剛度對碰摩的影響，開發(fā)葉片，彈性機(jī)匣碰摩模型，采用懸臂梁、懸臂板、變厚度殼、轉(zhuǎn)子-葉片和轉(zhuǎn)軸.盤片模型，揭示碰摩對葉片、轉(zhuǎn)子和機(jī)匣耦合振動的激發(fā)機(jī)理。
聞邦椿，東北大學(xué)教授，博士研究生導(dǎo)師，1930年9月生于浙江杭州。1955年畢業(yè)于東北工學(xué)院，1957年研究生畢業(yè)后留校任教。現(xiàn)為東北大學(xué)機(jī)械設(shè)計及理論研究所名譽所長、遼寧省創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)協(xié)會會長，曾任東北大學(xué)機(jī)械設(shè)計及理論985工程首席教授。
1991年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士�，F(xiàn)任國際轉(zhuǎn)子動力學(xué)技術(shù)委員會委員、國際機(jī)器理論與機(jī)構(gòu)學(xué)聯(lián)合會中國委員會委員。先后曾任東北工學(xué)院機(jī)械二系主任，國務(wù)院學(xué)位委員會第二、三、四屆學(xué)科評議組成員，國家自然科學(xué)獎、技術(shù)發(fā)明獎、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎評審委員會委員，國家“長江學(xué)者”獎勵委員會評審組成員，國家自然科學(xué)基金評審組成員，第六、七、八、九屆全國政協(xié)委員，中國振動工程學(xué)會理事長，《振動工程學(xué)報》主編，《機(jī)械工程學(xué)報》等多種雜志編委，上海交通大學(xué)“振動、沖擊、噪聲”國家重點實驗室學(xué)術(shù)委員會主任，北京吉利大學(xué)校長等。
他長期從事教學(xué)工作，講授“機(jī)械振動學(xué)”等課程。除培養(yǎng)本科生外，截至2015年末，已培養(yǎng)122名碩士研究生、90名博士研究生和16名博士后，指導(dǎo)國外訪問學(xué)者2名，為我國人才培養(yǎng)做出了重要貢獻(xiàn)。
在科研方面，他完成了國家自然科學(xué)基金重大項目、重點項目和973計劃、863計劃項目等國家縱向和橫向科研項目數(shù)十項。開辟了幾個重要學(xué)術(shù)方向，撰寫出版了《振動利用工程》、《工程非線性振動》，均為國際上該領(lǐng)域第一部專著。
他和課題組同事先后發(fā)表學(xué)術(shù)論文800余篇，署名作者的論文180多篇，被SCI、EI和ISTP檢索的近260篇，被引用3000余次。他完成了諸多理論和技術(shù)創(chuàng)新，取得了重大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
他撰寫及參與的著作、教材及手冊共有70部。兩部著作獲全國優(yōu)秀科技圖書二等獎，主編的《機(jī)械設(shè)計手冊》獲中國出版政府獎提名獎。
他獲國際獎2項，國家獎5項，省、部級一、二等獎20余項，獲國家專利20余項。2012年被授予全國振動利用工程研究領(lǐng)域的“終身成就獎”。
他曾訪問36個國家，多次應(yīng)邀去德國、日本等國講學(xué)，參加在美國、英國等20余個國家召開的國際學(xué)術(shù)會議，宣讀論文70余篇，多次應(yīng)邀做大會報告，4次主持國際學(xué)術(shù)會議，擔(dān)任會議主席。
他曾是中共東北工學(xué)院和東北大學(xué)三屆黨委委員，多次獲遼寧省勞動模范、沈陽市特等勞動模范和優(yōu)秀共產(chǎn)黨員稱號，是我國第一批享受國務(wù)院特殊津貼的專家。他的簡歷及科研成果已載入《世界名人錄》和國內(nèi)的多種名人辭典中。
馬輝，東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。1978年9月生于河北省安平縣，2007年獲機(jī)械設(shè)計及理論博士學(xué)位，留校任講師，2015年晉升為教授。2008年8月～2011年3月，在沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司從事博士后研究工作；2014年11月～2015年10月，在英國謝菲爾德大學(xué)做訪問學(xué)者，合作導(dǎo)師郎自強(qiáng)教授；2010年獲遼寧省優(yōu)秀博士后，2011年入選“教育部新世紀(jì)人才支持計劃”，2013年入選東北大學(xué)首批高層次人才培養(yǎng)計劃“曙光學(xué)者”。應(yīng)邀擔(dān)任《聲學(xué)與振動》雜志編委、International Journal of Rotating Machinery特邀編輯、機(jī)械工程學(xué)會和振動工程學(xué)會高級會員，并擔(dān)任Journal of Sound and Vibration、Mechanical Systems and Signal Processing、《機(jī)械工程學(xué)報》、《振動工程學(xué)報》等32個國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊的審稿人。
主要從事旋轉(zhuǎn)機(jī)械動力學(xué)方面研究，為東北大學(xué)聞邦椿院士課題組核心成員之一、“航空動力裝備振動及控制”教育部重點實驗室（B類）主要成員之一。近幾年主持國家自然科學(xué)基金[大型離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的耦合碰摩故障機(jī)理若干關(guān)鍵問題的研究（50805019）、航空發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片-涂層機(jī)匣碰摩機(jī)理及動力學(xué)特性研究（U1433109）]、教育部博士點基金、中國博士后基金、教育部基本科研項目和機(jī)械傳動國家重點實驗室、機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動國家重點實驗室開放基金等縱向科研項目11項；同時參加了多個國家自然科學(xué)基金重點項目、973計劃和863計劃項目。參與撰寫著作1部，獲國家發(fā)明專利4項，計算機(jī)軟件著作權(quán)6項；獲得遼寧省科技進(jìn)步獎一等獎1項，中國冶金科學(xué)技術(shù)獎二等獎和中國機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎二等獎各1項。
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 目的及意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.2.1 葉片-機(jī)匣碰摩模型研究 3
1.2.2 懸臂葉片碰摩動力學(xué)特性研究 11
1.2.3 旋轉(zhuǎn)帶冠葉片碰撞動力學(xué)特性研究 12
1.2.4 盤片及轉(zhuǎn)子-盤片系統(tǒng)葉尖碰摩動力學(xué)特性研究 12
1.2.5 葉片-機(jī)匣碰摩實驗研究現(xiàn)狀 14
1.3 本書的主要內(nèi)容 16
參考文獻(xiàn) 17
第2章 旋轉(zhuǎn)葉片動力學(xué)建模 22
2.1 概述 22
2.2 旋轉(zhuǎn)懸臂梁動力學(xué)模型 22
2.2.1 旋轉(zhuǎn)葉片運動微分方程 22
2.2.2 旋轉(zhuǎn)葉片連續(xù)系統(tǒng)離散動力學(xué)方程 25
2.3 旋轉(zhuǎn)懸臂板動力學(xué)模型 28
參考文獻(xiàn) 33
第3章 轉(zhuǎn)子-葉片耦合系統(tǒng)動力學(xué)建模及模型驗證 34
3.1 概述 34
3.2 轉(zhuǎn)子-葉片耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型 34
3.2.1 轉(zhuǎn)子-葉片耦合系統(tǒng)運動微分方程 34
3.2.2 轉(zhuǎn)子-葉片耦合系統(tǒng)矩陣組集 43
3.3 基于固有特性的模型驗證 49
3.4 本章小結(jié) 61
參考文獻(xiàn) 61
第4章 旋轉(zhuǎn)葉片-彈性機(jī)匣碰摩模型及模型驗證 62
4.1 概述 62
4.2 葉片-機(jī)匣碰摩模型 63
4.2.1 葉片-機(jī)匣碰摩模型推導(dǎo) 63
4.2.2 不同參數(shù)對碰摩力的影響 66
4.3 葉片-機(jī)匣碰摩實驗 69
4.3.1 實驗設(shè)備 69
4.3.2 實驗結(jié)果 70
4.4 基于準(zhǔn)靜態(tài)碰摩力的仿真及實驗結(jié)果對比 73
4.4.1 不同尺寸葉片碰摩力結(jié)果分析 73
4.4.2 不同轉(zhuǎn)速下碰摩力結(jié)果分析 74
4.4.3 本章模型與現(xiàn)有模型的比較 75
4.5 動態(tài)碰摩力仿真 76
4.5.1 機(jī)匣動力學(xué)模型 76
4.5.2 旋轉(zhuǎn)葉片的動態(tài)法向碰摩力 77
4.6 本章小結(jié) 79
參考文獻(xiàn) 80
第5章 基于懸臂梁理論的葉片-機(jī)匣碰摩動力學(xué) 81
5.1 概述 81
5.2 旋轉(zhuǎn)葉片模型建立與驗證 81
5.2.1 旋轉(zhuǎn)葉片動力學(xué)模型 81
5.2.2 基于固有特性及響應(yīng)的模型驗證 82
5.3 考慮葉尖碰摩的旋轉(zhuǎn)葉片動力學(xué)模型 83
5.4 考慮葉尖碰摩的旋轉(zhuǎn)葉片振動響應(yīng)分析 85
5.4.1 靜態(tài)不對中的影響 85
5.4.2 機(jī)匣剛度的影響 88
5.4.3 機(jī)匣變形的影響 90
5.5 本章小結(jié) 92
第6章 旋轉(zhuǎn)帶冠葉片碰撞動力學(xué) 93
6.1 概述 93
6.2 旋轉(zhuǎn)帶冠葉片模型建立與驗證 93
6.2.1 旋轉(zhuǎn)帶冠葉片動力學(xué)模型 94
6.2.2 考慮碰撞帶冠葉片動力學(xué)模型 98
6.2.3 基于固有特性及響應(yīng)的模型驗證 98
6.3 不同參數(shù)對碰撞振動響應(yīng)的影響 100
6.3.1 冠間間隙對系統(tǒng)響應(yīng)的影響 100
6.3.2 葉片轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)響應(yīng)的影響 105
6.3.3 氣動力幅值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響 107
6.4 本章小結(jié) 109
參考文獻(xiàn) 109
第7章 基于懸臂板理論的葉片-機(jī)匣碰摩動力學(xué) 110
7.1 概述 110
7.2 基于固有特性的懸臂板葉片模型驗證 110
7.3 含不對中的葉片-機(jī)匣碰摩模型 112
7.4 葉片-機(jī)匣碰摩導(dǎo)致的振動響應(yīng)分析 113
7.4.1 機(jī)匣剛度的影響 114
7.4.2 不對中的影響 118
7.4.3 葉片-機(jī)匣最小間隙的影響 119
7.5 本章小結(jié) 120
第8章 基于變厚度殼的葉片-機(jī)匣碰摩動力學(xué) 122
8.1 概述 122
8.2 基于變厚度殼的葉片有限元模型 122
8.3 葉片固有特性分析 124
8.4 葉片-機(jī)匣碰摩模型 126
8.5 葉片-機(jī)匣碰摩動力學(xué)特性分析 129
8.5.1 氣動力幅值的影響 131
8.5.2 靜態(tài)不對中的影響 135
8.5.3 機(jī)匣剛度的影響 138
8.5.4 葉片氣動力頻率的影響 141
8.6 本章小結(jié) 143
第9章 不同葉片模型對葉尖碰摩動力學(xué)特性的影響 144
9.1 概述 144
9.2 葉片有限元模型及葉片-機(jī)匣碰摩模型 144
9.2.1 葉片的有限元模型 144
9.2.2 考慮葉片和機(jī)匣寬度的葉片-機(jī)匣碰摩模型 145
9.3 無碰摩情況下4種葉片模型動力學(xué)特性分析 146
9.4 4種葉片模型葉尖碰摩動力學(xué)特性分析 152
9.4.1 基于梁模型的碰摩響應(yīng)分析 153
9.4.2 基于等厚度直板模型的碰摩響應(yīng)分析 154
9.4.3 基于等厚度扭板模型的碰摩響應(yīng)分析 155
9.4.4 基于變厚度殼模型的碰摩響應(yīng)分析 158
9.5 本章小結(jié) 161
參考文獻(xiàn) 161
第10章 榫連盤片結(jié)構(gòu)葉尖-機(jī)匣碰摩動力學(xué) 162
10.1 概述 162
10.2 盤片有限元模型及簡化的葉尖碰摩力模型 162
10.2.1 盤片有限元模型 162
10.2.2 模擬葉尖局部碰摩的脈沖力模型 164
10.3 考慮葉尖碰摩的葉片動力學(xué)及榫連接觸特性分析 165
10.3.1 轉(zhuǎn)速的影響 165
10.3.2 侵入量的影響 173
10.4 本章小結(jié) 177
參考文獻(xiàn) 178
第11章 轉(zhuǎn)子-葉片-機(jī)匣系統(tǒng)碰摩動力學(xué) 179
11.1 概述 179
11.2 轉(zhuǎn)子-葉片-機(jī)匣系統(tǒng)碰摩動力學(xué)模型 179
11.3 不同碰摩力模型對系統(tǒng)碰摩響應(yīng)的影響 183
11.4 不同參數(shù)對單葉片碰摩響應(yīng)的影響 185
11.4.1 機(jī)匣質(zhì)量對系統(tǒng)碰摩響應(yīng)的影響 185
11.4.2 機(jī)匣剛度對系統(tǒng)碰摩響應(yīng)的影響 187
11.5 不同參數(shù)對多葉片碰摩響應(yīng)的影響 189
11.5.1 轉(zhuǎn)速對碰摩的影響 189
11.5.2 不同葉片數(shù)對碰摩的影響 192
11.6 仿真與實驗結(jié)果對比分析 193
11.7 本章小結(jié) 202
參考文獻(xiàn) 202
第12章 轉(zhuǎn)軸-盤片-機(jī)匣系統(tǒng)葉尖碰摩動力學(xué) 203
12.1 概述 203
12.2 考慮葉尖碰摩的轉(zhuǎn)軸-盤片系統(tǒng)動力學(xué)模型 203
12.2.1 轉(zhuǎn)軸-盤片系統(tǒng)有限元模型 203
12.2.2 含葉尖碰摩的轉(zhuǎn)軸-盤片-機(jī)匣系統(tǒng)有限元模型 205
12.2.3 基于固有特性的模型驗證 207
12.3 轉(zhuǎn)軸-盤片-機(jī)匣系統(tǒng)碰摩振動響應(yīng)分析 212
12.3.1 轉(zhuǎn)速的影響 214
12.3.2 安裝角的影響 217
12.3.3 機(jī)匣剛度的影響 219
12.4 本章小結(jié) 224
參考文獻(xiàn) 225
附錄A 懸臂板相關(guān)矩陣附錄 226
附錄B 轉(zhuǎn)子-葉片相關(guān)矩陣附錄 231
附錄B.1 葉片矩陣元素表達(dá)式 231
附錄B.2 葉片-轉(zhuǎn)子耦合矩陣元素表達(dá)式 232
附錄B.3 葉片-轉(zhuǎn)子附加矩陣元素表達(dá)式 234
附錄B.4 葉片-轉(zhuǎn)子非線性力向量元素表達(dá)式 237
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