王 坤,吳錦武,趙國揚(yáng),李志寬
(南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院,南昌330063)
振動(dòng)是影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片壽命的重要因素,采取有效措施減小其振動(dòng),是航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于干摩擦阻尼器(緣板、凸肩、葉冠等)具有減振效果好、對(duì)葉片氣動(dòng)性能影響小等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]。Griffin[2]在1980年提出用接觸剛度和開始滑動(dòng)時(shí)的摩擦力參數(shù)來描述摩擦阻尼器,并研究每個(gè)參數(shù)對(duì)帶阻尼器渦輪葉片共振響應(yīng)的影響;Menq和Petrov[3-4]使用法向接觸剛度、切向接觸剛度和摩擦系數(shù)3個(gè)參數(shù)來描述接觸模型的特性;單穎春等[5]總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上,細(xì)致考慮接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),提出了幾種典型的接觸運(yùn)動(dòng)模型;漆文凱等[6]以帶緣板阻尼塊渦輪葉片為對(duì)象,分別采用2維整體—局部統(tǒng)一滑動(dòng)模型,對(duì)其減振特性進(jìn)行研究,得出阻尼塊對(duì)葉片能起到調(diào)頻作用;陳香等[7]通過試驗(yàn)得出接觸緊度、阻尼塊的接觸面積、材料以及外部激振力共同影響渦輪葉片的減振效果;李迪等[8]對(duì)帶冠渦輪葉片進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn),得出存在1個(gè)最優(yōu)的接觸緊度使得該帶冠渦輪葉片的減振效果最佳。
接觸模型依據(jù)阻尼結(jié)構(gòu)來確定,不同的阻尼結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同形式的接觸模型。在渦輪葉片中一般存在著阻尼銷、凸肩和葉冠等阻尼結(jié)構(gòu),其中阻尼銷為圓柱體,與葉盤接觸面積很小,近似為1條線,可假設(shè)接觸面為“圓柱-平板”接觸[9];而凸肩和葉冠,接觸面積較大,可以假設(shè)接觸面為“平板-平板”接觸。
在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中,渦輪緣板阻尼結(jié)構(gòu)從接觸到完全擠壓,接觸面往往受到很大的接觸壓力,產(chǎn)生很小的相對(duì)位移,葉片與阻尼塊摩擦接觸時(shí),切向力和切向相對(duì)位移的遲滯曲線對(duì)準(zhǔn)確描述葉片振動(dòng)特性至關(guān)重要。將帶有圓角的平?jīng)_頭壓在平板上,得到帶圓角的平板接觸模型,從幾何模型出發(fā),結(jié)合數(shù)學(xué)計(jì)算推導(dǎo)對(duì)渦輪緣板阻尼塊摩擦接觸的特性進(jìn)行研究,利用該接觸模型推導(dǎo)接觸面間的法向正壓力和切向力的分布規(guī)律,并進(jìn)一步研究模型幾何參數(shù)的影響,得出模型參數(shù)對(duì)遲滯曲線、切向剛度和能量耗散的影響規(guī)律,為渦輪葉片阻尼器的設(shè)計(jì)提供參考。
以常見帶緣板阻尼塊的渦輪葉片為研究對(duì)象,如圖1所示。
圖1 帶緣板阻尼塊的渦輪葉片
各接觸體為各向同性彈性材料;接觸形成的矩形面具有較大的縱橫比——d/b;忽略有限長平板的邊緣效應(yīng),接觸面上的正壓力和剪切力沿Y方向(軸向)均勻分布。
將帶有圓角的平?jīng)_頭壓在平板上來描述渦輪葉片的接觸狀態(tài),建立渦輪緣板阻尼接觸模型,如圖2所示。其中d為葉片的縱向?qū)挾?;R為圓角半徑;b為施加法向壓力后沿X向的接觸長度;Fn為壓頭所受的法向力;Tτ為壓頭所受的切向力。
圖2 渦輪緣板阻尼塊3維接觸模型
根據(jù)圖2接觸模型,沿Y向取1個(gè)單位長度平板進(jìn)行力學(xué)分析,2維接觸模型如圖3所示。
圖3 2維接觸模型
圖中:T和F對(duì)應(yīng)著單位長度的切向載荷和法向載荷;e為模型施加切向載荷后接觸面沿X向的黏滯長度。接觸面的法向力F(x)沿X向的分布可寫為[10]
b/a=sinβ0,根據(jù)公式應(yīng)用Matlab進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,將縱坐標(biāo)以(F/a)進(jìn)行歸一化,橫坐標(biāo)以接觸長度a進(jìn)行歸一化,得到不同幾何參數(shù)b/a下法向力沿X向的分布,如圖4所示。
圖4 法向力F(x)沿X向的分布
從圖中可見,當(dāng)b/a=0時(shí),未施加法向載荷時(shí)的初始接觸長度a=0,此時(shí)帶有圓角的平板接觸為圓柱面線接觸。隨著b/a的增大,接觸面兩側(cè)的法向力峰值 max[F(x)]增大,接觸長度中心的法向力 min[F(x)]減小。當(dāng)增大到b/a=1時(shí),平板在X向的接觸長度不隨法向載荷F的改變而改變,此時(shí)平板的圓角半徑R=0,接觸轉(zhuǎn)化為理想平板接觸。對(duì)于給定法向載荷F,在不同切向載荷T作用下,將縱坐標(biāo)以μF/a進(jìn)行歸一化,其中μ為常數(shù),橫坐標(biāo)以a進(jìn)行歸一化,得到切向力T(x)沿X向的分布,如圖5所示。
圖5 切向力T(x)沿X向的分布
從圖中可見,切向力分布與法向力分布類似,接觸邊緣切向力較大,接觸中心切向力最小。并且隨著切向載荷T的增大,接觸邊緣和接觸中心的切向力T(x)同時(shí)增大,直至發(fā)生宏滑。這是因?yàn)楫?dāng)T/μF<1時(shí),滑動(dòng)最先在接觸邊緣發(fā)生,e為接觸區(qū)域在X向的黏滯長度。此時(shí)對(duì)于e≤|x|≤a的點(diǎn),接觸狀態(tài)為滑動(dòng)狀態(tài),對(duì)于|x|≤e的點(diǎn),接觸狀態(tài)為黏滯狀態(tài);而當(dāng)接觸物體作用有切向載荷時(shí),在接觸邊緣處 T(x)/F(x)將趨向于無窮大,因此滑動(dòng)總是首先發(fā)生在接觸邊緣。
在上述分析2維接觸模型法向力和切向力分布的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究切向力與切向相對(duì)位移的關(guān)系,半空間局部受到切向力分布力tx作用,如圖6所示。
圖6 半空間局部受載
利用D.A.Hills[11]方法可獲得切向力和切向相對(duì)位移的關(guān)系,計(jì)算得出遲滯曲線,則位移為
式中:r2=(x-n)2+(y-m2)+z2;(n,m,f)為受力 點(diǎn)的坐標(biāo);r為受力點(diǎn)到接觸中心的距離。
沿x方向令x=y=z,得到接觸中心的位移sx
由于接觸面法向力和切向力的分布是關(guān)于接觸中心線對(duì)稱可得
考慮到 d?a和 -a≤n≤a,有 d?n,將式(4)進(jìn)一步簡化為
將式(5)代入式(3)得
由式(6)可知,局部半空間受到切向分布力作用后,接觸中心的切向相對(duì)位移可表示為
式中:E*=2(1-f2)/E,E 為每循環(huán)能量耗散量。
由式(7)得到切向接觸剛度kd。法向接觸剛度kn可由Mindlin[12]球接觸中切向和法向接觸剛度關(guān)系得到,即
阻尼系統(tǒng)的能量耗散取決于遲滯曲線圍成的面積,切向載荷T代入式(7)得到和相對(duì)切向位移δ的單調(diào)曲線,根據(jù)Masing理論[13-14]獲得微滑動(dòng)時(shí)的完整遲滯環(huán),數(shù)學(xué)表達(dá)式為
式中:δs為卸載時(shí)的切向位移;δn為加載時(shí)的切向位移。
Masing理論的初始加載曲線包含遲滯環(huán)的所有特性,在宏滑動(dòng)區(qū)域的遲滯曲線通過水平延長宏滑動(dòng)初始時(shí)的點(diǎn)獲得,得到歸一化后切向力和相對(duì)位移曲線如圖7所示。
圖7 不同相對(duì)位移時(shí)的遲滯曲線
在帶圓角的平板3維接觸模型條件下,進(jìn)一步研究不同幾何參數(shù)對(duì)遲滯曲線的影響規(guī)律。從式(7)獲得的遲滯曲線主要依賴于以下2個(gè)參數(shù):b/a和d/a。給定d/a時(shí),計(jì)算繪制得到不同b/a條件下的遲滯曲線,如圖8所示。曲線a/b=0.1,趨于圓柱面線接觸;曲線a/b=0.9,趨于理想平板接觸。在微滑動(dòng)的條件下,遲滯曲線所圍的面積隨著a/b的減小而增加。因此,對(duì)于1個(gè)給定位移幅值、法向加載和材料屬性的接觸模型,最大的耗散能量通過圓柱面線接觸獲得,即a/b=0。
圖8 給定d/a,不同b/a時(shí)的遲滯曲線
研究不同d/a對(duì)遲滯曲線的影響,給定b/a,得到不同d/a條件下的遲滯曲線如圖9所示。從圖中可見,d/a僅僅影響遲滯環(huán)的的斜率,并不影響遲滯環(huán)所圍的面積和單位長度的能量耗散。
圖9 給定b/a,不同d/a時(shí)的遲滯曲線
遲滯曲線描述了該接觸模型的動(dòng)態(tài)特性,而摩擦阻尼的接觸剛度能直接影響到葉片的振型模態(tài),進(jìn)一步研究幾何參數(shù)b/R對(duì)接觸剛度的影響,通過計(jì)算得到接觸剛度與正壓力的關(guān)系曲線(如圖10所示)能用來提取切向接觸剛度的準(zhǔn)確值,接觸剛度與正壓力的關(guān)系曲線由式(8)得出,當(dāng)法向加載不變時(shí),隨著b/R的增大,切向接觸剛度增大。當(dāng)b/R不變時(shí),隨著法向力的增大,切向接觸剛度逐漸變大。這是因?yàn)榉ㄏ蛄υ龃?,接觸面積變大,所以切向接觸剛度增大。
圖10 接觸剛度-法向力關(guān)系曲線
摩擦阻尼裝置是通過接觸面上的摩擦力在振動(dòng)過程中不斷耗散能量,來達(dá)到減振的目的,可用單個(gè)振動(dòng)循環(huán)中耗散的能量來評(píng)價(jià)阻尼器的減振效果[15]。Mindlin[16]分析在1個(gè)循環(huán)加載過程中切向力與耗散能的比例,試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這個(gè)關(guān)系[17-18]。能量耗散與切向力的關(guān)系曲線能得到摩擦阻尼能量耗散的情況,阻尼器耗散的能量等于遲滯曲線圍成的面積,每個(gè)循環(huán)的耗散能量等于4倍的從零加載到最大所耗散的能量,即
因?yàn)?Tt=μF(x),所以式(10)可以寫為
式中:F(x)為法向分力。
兩接觸物體材料屬性相同,在接觸時(shí)的相對(duì)滑動(dòng)位移為
當(dāng) |x|≤e 時(shí),s(x)=0,可求得常數(shù)項(xiàng) C1。
對(duì)于初始加載曲線,已知切向力分布T(x)和接觸面的相對(duì)滑動(dòng)幅值s(x),根據(jù)2維接觸模型得到給定d/a條件下,渦輪緣板阻尼結(jié)構(gòu)的能耗曲線,如圖11所示。從圖中可見,當(dāng)d/a一定時(shí),b/a=0為面線接觸最大能耗曲線,且存在最大能耗點(diǎn)。在文獻(xiàn)[18]給出的不同加載力下,阻尼結(jié)構(gòu)每周期的能耗曲線,將坐標(biāo)歸一化后,如圖12所示。
文獻(xiàn) [18]的能耗曲線基于試驗(yàn)參數(shù)測(cè)定計(jì)算得出,試驗(yàn)接觸為弧面頂輥滑塊與平面滑塊的接觸,平板滑塊夾持于上下弧面頂輥滑塊,法向力與切向力分別加載于弧面頂輥滑塊和平面滑塊,符合驗(yàn)證本文接觸模型能量耗散規(guī)律的試驗(yàn)條件。試驗(yàn)中法向力加載的存在導(dǎo)致接觸幾何參數(shù)的改變,等效為模型參數(shù)b/a的變化,對(duì)比2個(gè)圖可見,二者能耗曲線變化規(guī)律一致。因此該接觸模型能較準(zhǔn)確描述渦輪阻尼塊的摩擦接觸能耗規(guī)律,考慮到具體接觸參數(shù)的差異,僅能從定性角度對(duì)比二者能耗曲線的變化規(guī)律相符,定量研究需進(jìn)一步完善。
圖11 能量耗散曲線
圖12 每周期能量耗散曲線[18]
(1)渦輪緣板阻尼塊接觸面法向力和切向力沿滑移方向面分布規(guī)律相同,最小值和最大值分別出現(xiàn)在接觸中心和滑移邊緣,且接觸滑移總是首先出現(xiàn)在接觸邊緣。
(2)當(dāng)法向加載不變時(shí),隨著b/R的增大,切向接觸剛度增大。當(dāng)b/R不變時(shí),隨著法向力的增大,切向接觸剛度逐漸變大。
(3)利用本文接觸模型推導(dǎo)出幾何參數(shù)對(duì)遲滯曲線的影響。當(dāng)b/a=0時(shí)存在最大能耗曲線和對(duì)應(yīng)的最大能耗點(diǎn),并且隨著b/a的增大,接觸模型逐漸從圓柱面線接觸轉(zhuǎn)化為理想平板接觸,遲滯曲線所圍面積逐漸變小,耗散能量逐漸減小。能耗曲線與相關(guān)文獻(xiàn)能耗曲線變化規(guī)律相符。
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