馮晨曦 ,漆文凱 ,朱銀方
(1.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院,南京 210016;2.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所,湖南株洲 412002)
隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的迅速發(fā)展,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求越來(lái)越高。壓氣機(jī)整流器作為發(fā)動(dòng)機(jī)中不旋轉(zhuǎn)的部分[1],當(dāng)受氣體旋轉(zhuǎn)脈動(dòng)激勵(lì)后所產(chǎn)生的劇烈振動(dòng)現(xiàn)象,將嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命。由于空氣動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)的原因,無(wú)法對(duì)壓氣機(jī)靜子葉片葉型等結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng),但可采用添加橡膠阻尼材料的辦法來(lái)減小葉片振動(dòng)。
橡膠作為一種粘彈性材料,力學(xué)特性極其復(fù)雜,不僅與時(shí)間相關(guān),還與加載的頻率、振幅密切相關(guān),因此需要對(duì)橡膠力學(xué)性能進(jìn)行研究[2-3]。Turner[4]對(duì)某橡膠襯套進(jìn)行研究,建立了由彈性-粘性阻尼-摩擦阻尼元件3 部分疊加而成的橡膠動(dòng)態(tài)模型,采用該模型進(jìn)行計(jì)算并將得到的計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,得出該模型可較好地描述橡膠動(dòng)態(tài)特性的振幅相關(guān)性與頻率相關(guān)性的結(jié)論;Bagley[5]為了更好地描述頻率對(duì)橡膠動(dòng)態(tài)特性的影響,將分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)模型引入橡膠中建立了橡膠非線性動(dòng)態(tài)模型,只需較少的模型參數(shù)就可以在比較寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行分析。此后有很多科研人員在時(shí)域和頻域上,利用分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)模型橡膠的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。于增亮等[6]建立了一種由分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)、非線性Dzierzek 單元與Berg 摩擦模型所組成的橡膠半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化模型,以車輛某懸架用橡膠襯套為研究對(duì)象,應(yīng)用該模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)擬合,并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,對(duì)該橡膠模型進(jìn)行了修正和驗(yàn)證。以上研究缺乏對(duì)帶橡膠阻尼壓氣機(jī)整流器結(jié)構(gòu)的研究,壓氣機(jī)整流器作為發(fā)動(dòng)機(jī)的靜止部件,對(duì)其減振的研究較少,目前中國(guó)尚無(wú)帶橡膠阻尼整流器減振的相關(guān)研究,需要對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入探究。
本文以某渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)帶橡膠阻尼整流器結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,對(duì)橡膠材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn),并引入橡膠力學(xué)模型,對(duì)帶橡膠阻尼塊整流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)和仿真分析。
橡膠阻尼器的靜態(tài)特性對(duì)整流器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著重要作用,同時(shí)也是預(yù)測(cè)帶橡膠阻尼整流器動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)應(yīng)變能密度函數(shù)中的應(yīng)變不變量求導(dǎo),可以得到橡膠的工程應(yīng)力與工程應(yīng)變之間的本構(gòu)關(guān)系,選取Mooney-Rivlin、Neo-Hookean 和Yoeh3 種典型超彈性本構(gòu)模型對(duì)橡膠準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。應(yīng)變能密度函數(shù)的一般表達(dá)式為[7]
式中:I1,I2,I3分別為第1、2、3應(yīng)變不變量,由3個(gè)主拉伸比λ決定。
Mooney-Rivlin 模型是1個(gè)運(yùn)用性極高的模型,其應(yīng)變能密度函數(shù)模型為
Neo-Hookean 模型是最簡(jiǎn)單的超彈性本構(gòu)模型,可以看作是Mooney-Rivlin 模型形式的簡(jiǎn)化,其應(yīng)變能密度函數(shù)模型為
Yeoh 模型[8]能產(chǎn)生典型的S 形橡膠應(yīng)力應(yīng)變曲線,可以描述為隨變形而變化的剪切模型的填料橡膠,其應(yīng)變能密度函數(shù)模型為
式中:C10、C01、CNH1、C1、C2、C3分別為各模型的待定參數(shù),由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。
橡膠準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)采用的試件是GB/T 9865.1規(guī)定的1 型啞鈴狀試件,其厚度為2 mm。其形狀及實(shí)物分別如圖1、2所示,試件參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 啞鈴型試件參數(shù)mm
圖1 啞鈴型試件
圖2 啞鈴型試件實(shí)物
測(cè)試用的橡膠材料分別為硅橡膠N50、硅橡膠N60、天然橡膠N60 和丁晴橡膠N60(N50、N60 表示橡膠硬度分別為50、60),使用伺服控制拉力試驗(yàn)機(jī)AI-7000-M1在室溫(23°C)下進(jìn)行橡膠材料的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)橡膠試片用0.01 mm/s的速度進(jìn)行緩慢循環(huán)加載,試片分別被拉伸到0.5、1.0、1.5、2.0 的應(yīng)變水平后,以相同的速度卸載到零應(yīng)力狀態(tài),并在相同的應(yīng)變水平下重復(fù)5 次以消除應(yīng)力軟化現(xiàn)象[9],分別測(cè)試橡膠材料在4種應(yīng)變水平下的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線,如圖3 所示。其中丁晴橡膠N60 由于材料特性,在應(yīng)變大于1 時(shí)被拉斷,沒(méi)有應(yīng)變水平為1.5和2.0時(shí)的拉伸數(shù)據(jù)。
圖3 4種橡膠材料在4種應(yīng)變水平下的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線
從圖中可見(jiàn),橡膠試片對(duì)最大應(yīng)變水平的敏感度較高,整體的應(yīng)力水平隨著應(yīng)變水平的增大而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。
使用3種本構(gòu)模型將4種橡膠的單軸拉伸曲線通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行擬合,獲得4種橡膠在不同最大應(yīng)變下(共計(jì)42條)的工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線,并將42條擬合曲線與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比。以硅橡膠N60 為例,對(duì)各組曲線進(jìn)行分析,如圖4所示。
圖4 硅橡膠N60擬合曲線
從圖中可見(jiàn),Neo-Hookean 和Moony-Rivlin 模型在最大應(yīng)變小于1時(shí)擬合效果最好,Yeoh模型在最大應(yīng)變?yōu)? 時(shí)擬合效果最好,即Neo-Hookean、Mooney-Rivlin 模型適合模擬橡膠的中小型變形行為,而Yeoh模型適合模擬橡膠的大型變形行為[10]。
通過(guò)對(duì)3 種超彈性本構(gòu)模型的比較分析,本文選用Neo-Hookean 本構(gòu)模型。盡管該模型較為簡(jiǎn)單,且在大應(yīng)變時(shí)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較大的誤差,但由于在所使用的應(yīng)變工作段內(nèi)仿真時(shí),其與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有很好的符合度。4 種橡膠的Neo-Hookean 本構(gòu)模型參數(shù)CNH1見(jiàn)表2。
表2 4種橡膠的Neo-Hookean本構(gòu)模型參數(shù)CNH1 MPa
針對(duì)表2 中擬合出的4 種橡膠的Neo-Hookean 模型參數(shù)CNH1進(jìn)行分析,得到CNH1隨最大應(yīng)變?chǔ)舖的變化規(guī)律,其擬合曲線如圖5所示。
圖5 Neo-Hookean模型參數(shù)CNH1擬合曲線
從圖中可見(jiàn),CNH1在最大應(yīng)變?yōu)?~0.5 時(shí)的變化較大,在最大應(yīng)變?yōu)?.0~2.0 時(shí)趨于平緩,說(shuō)明橡膠在小變形時(shí)其應(yīng)力軟化現(xiàn)象較明顯。
使用啞鈴型橡膠柱[11](如圖6 所示)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)檢驗(yàn),相比橡膠試片,啞鈴型橡膠試柱制作成本更高,所需設(shè)備更復(fù)雜,但該試柱不僅能進(jìn)行拉伸還能進(jìn)行壓縮[12-13]。
圖6 啞鈴型橡膠柱
在試驗(yàn)時(shí)固定橡膠柱底面,對(duì)上表面施加軸向的正弦位移激勵(lì),得到力-位移曲線。利用ANSYS 對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格(如圖7 所示)劃分,采用的仿真方法與試驗(yàn)方法一致,依次賦予4 種材料擬合參數(shù),進(jìn)行瞬態(tài)分析仿真計(jì)算,約束橡膠柱底面,對(duì)上表面施加軸向位移,提取約束端的支反力,對(duì)其試驗(yàn)值與仿真值進(jìn)行對(duì)比,如圖8所示。
圖7 啞鈴型橡膠柱網(wǎng)格
圖8 橡膠柱試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比
從圖中可見(jiàn),仿真值與試驗(yàn)值基本一致,驗(yàn)證了Neo-Hookean超彈性本構(gòu)模型的可靠性。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)受結(jié)構(gòu)荷載、氣候、環(huán)境等因素的影響,其實(shí)際工作狀態(tài)與靜態(tài)時(shí)有較大差距。橡膠作為一種粘彈性材料,其力學(xué)特性受激振頻率、激振振幅、工作溫度等影響,具有明顯的非線性特性,因此研究橡膠的動(dòng)力特性既必要又意義重大。
橡膠動(dòng)態(tài)模量是橡膠減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù),將在連續(xù)的正弦波荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系定義為復(fù)數(shù)模量E*,作為一個(gè)復(fù)數(shù),其反映線粘彈性材料在連續(xù)施加正弦荷載下在不同的頻段內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(包括實(shí)部和虛部)
式中:E1為存儲(chǔ)模量,代表橡膠的彈性成分;E2為損失模量,代表橡膠的粘性部分。
動(dòng)態(tài)模量也可以通過(guò)試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力幅值σ0和應(yīng)變幅值ε0的比值來(lái)確定,即
相位角θ定義為在荷載作用下橡膠所產(chǎn)生的應(yīng)變落后于試驗(yàn)中所施加的應(yīng)力所形成的角
學(xué)者們利用經(jīng)典粘彈性理論提出了許多橡膠粘彈性模型,如Kelvin 固體模型[14]、Maxwell 流體模型[15]、Burgers 模型[16]、廣義Kelvin 模型和廣義Max?well 模型等。這些模型都是經(jīng)典流變學(xué)模型,研究的是橡膠在靜載下的本構(gòu)行為,不能較好地描述橡膠的動(dòng)態(tài)性能。近年來(lái),基于波爾茲曼疊加原理[17],Berg[18]建立了使用1維的3力疊加模型;Sjoberg[19]在文獻(xiàn)[15]研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),提出了使用分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)模型替代Kelvin-Voigt 模型及Maxwell 模型,形成分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)Kelvin-Voigt 模型(以下簡(jiǎn)稱分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)KV 模型)和分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)Maxwell 模型,如圖9、10 所示,改進(jìn)后的模型能更好地預(yù)測(cè)橡膠材料動(dòng)態(tài)特性的振幅相關(guān)性和頻率相關(guān)性。
圖9 分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)Kelvin-Voigt模型
圖10 分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)Maxwell模型
本文在分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)KV 模型的基礎(chǔ)上描述橡膠減振器的動(dòng)態(tài)特性,此模型由彈簧與粘壺并聯(lián)得到,其本構(gòu)方程為
式中:E為線性彈簧部分;ηDα為分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)模型描述的粘彈性部分。
對(duì)式(8)進(jìn)行傅里葉變換得到
由復(fù)數(shù)模量的定義可得分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)Kelvin 模型的復(fù)數(shù)模量
由此可得儲(chǔ)能模量E1(ω)、損耗模量E2(ω)、損耗因子tanθ(θ為相位角)分別為
使用MTS 831.5 彈性體動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)系統(tǒng)(如圖11 所示)進(jìn)行橡膠動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。該系統(tǒng)是一種獨(dú)特的高性能試驗(yàn)系統(tǒng),可在較寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)試樣進(jìn)行激勵(lì)。在測(cè)試中,使用啞鈴型橡膠柱試件,一端與試驗(yàn)臺(tái)的作動(dòng)端相連,另一端則固定于試驗(yàn)臺(tái)上。在試驗(yàn)時(shí),首先給試驗(yàn)樣品施加2 N 的預(yù)載荷,此預(yù)載荷等于橡膠隔振器受到的靜載荷,然后在作動(dòng)端施加位移為0.05 mm 的正弦激勵(lì),在此試驗(yàn)條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)并測(cè)定動(dòng)態(tài)模量和相位角。
圖11 MTS 831.5彈性體動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)系統(tǒng)
本研究參考國(guó)內(nèi)外的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果,探討了在0.1~200 Hz(間隔10 Hz)頻率下橡膠的動(dòng)態(tài)性能。其動(dòng)態(tài)模量和相位角隨頻率的變化如圖12所示。
圖12 動(dòng)態(tài)模量和相位角隨頻率的變化
從圖中可見(jiàn),橡膠的動(dòng)態(tài)模量和相位角有強(qiáng)烈的頻率依賴性,尤其是動(dòng)態(tài)模量更為明顯。
基于分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)KV 模型,本文將該模型中的線性彈簧部分E替換為與最大應(yīng)變相關(guān)的非線性彈簧E(εm)。其中,非線性彈簧部分與應(yīng)變相關(guān)由橡膠超彈性部分得出;粘彈性部分與頻率相關(guān)由動(dòng)態(tài)試驗(yàn)擬合得出,從而建立了非線性彈簧-分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)模型(圖13)。其頻域下的本構(gòu)方程為
圖13 非線性彈簧-分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)模型
在非線性彈簧E(εm)部分,由第1.3節(jié)得到CNH1與最大應(yīng)變?chǔ)舖的3次多項(xiàng)式為
式中:A、B、C、D分別為待定參數(shù),可通過(guò)擬合得到,見(jiàn)表3。
表3 非線性彈簧E(εm)部分參數(shù)
由應(yīng)變能函數(shù)可得橡膠的應(yīng)力應(yīng)變曲線,在小變形下(應(yīng)變小于0.5時(shí))其斜率為某最大應(yīng)變條件下橡膠的非線性彈簧部分的彈性模量。
為識(shí)別分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)KV 模型中的參數(shù)η和α,利用第2.3節(jié)中的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在擬合得到模型的參數(shù)時(shí),需從測(cè)量數(shù)據(jù)中去除含有的彈簧部分。設(shè)橡膠在0.1 Hz 下的動(dòng)態(tài)模量E0.1為模型中的彈簧部分,得到只含粘彈性部分的模型復(fù)模量,擬合得到的模型復(fù)模量為和在最小二乘意義下的誤差為
粘彈性部分參數(shù)見(jiàn)表4。
表4 粘彈性部分參數(shù)
根據(jù)啞鈴型橡膠柱試件實(shí)際試驗(yàn)應(yīng)變,取εm=0.01,帶入擬合的3 次多項(xiàng)式中,并求得E(εm),得到完整的非線性彈簧-分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)模型,可以較好地描述橡膠的動(dòng)態(tài)行為。分別從儲(chǔ)能模量、相位角兩方面,對(duì)比該模型計(jì)算的仿真值與試驗(yàn)得出的試驗(yàn)值,結(jié)果如圖14、15所示。
圖14 儲(chǔ)能模量的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比
圖15 相位角的試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比
航空發(fā)動(dòng)機(jī)帶橡膠阻尼塊整流器葉片結(jié)構(gòu)如圖16、17 所示。從圖中可見(jiàn),整流器靜子葉片葉根與機(jī)匣外環(huán)直接焊接,葉片葉尖通過(guò)橡膠塊與內(nèi)環(huán)連接,從而起到抑制葉片振動(dòng)的作用。
圖16 帶橡膠阻尼塊整流器葉片結(jié)構(gòu)
圖17 橡膠阻尼塊位置
使用不同材質(zhì)的橡膠阻尼塊,對(duì)帶橡膠阻尼塊整流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃頻試驗(yàn),得到其固有頻率和響應(yīng)。
振動(dòng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)如圖18 所示。從圖中可見(jiàn),激振器與葉片間采用葉片-頂桿-阻抗頭-激振器的常規(guī)連接方式。將阻抗頭安裝于激振器端,避免在葉片端產(chǎn)生干涉,激振器采用懸掛安裝方式,安裝位置可調(diào),激振器與功率放大器連接獲得驅(qū)動(dòng)電力,將信號(hào)發(fā)生器接入功率放大器以提供激勵(lì)信號(hào)。
圖18 振動(dòng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)
采用穩(wěn)態(tài)正弦掃頻,在第1 階共振頻率附近選取合適的頻率帶,在控制激振力幅值相同(2 N)的情況下進(jìn)行掃頻,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖19所示,加速度響應(yīng)隨頻率的變化如圖20所示。
圖19 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)
圖20 加速度響應(yīng)隨頻率的變化
使用第2、3章描述的橡膠非線性彈簧-分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)模型,采用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行諧響應(yīng)仿真,其與試驗(yàn)過(guò)程一致,將整流器葉片模型各部件接觸設(shè)置為綁定接觸,在葉尖設(shè)置激勵(lì)點(diǎn),如圖21 所示。在1500~3000 Hz 頻率內(nèi)每間隔10 Hz 進(jìn)行迭代計(jì)算,具體迭代流程及仿真結(jié)果分別如圖22、23所示。
圖21 整流器葉片模型
圖22 迭代流程
圖23 帶橡膠阻尼整流器振動(dòng)特性仿真結(jié)果
當(dāng)整流器分別帶4 種橡膠阻尼時(shí),對(duì)第1 階共振頻率的試驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,見(jiàn)表5。
表5 整流器帶不同橡膠結(jié)構(gòu)共振頻率試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比
從表中可見(jiàn),模型對(duì)帶橡膠阻尼整流器結(jié)構(gòu)的第1階共振頻率計(jì)算誤差均小于5%。對(duì)比硅橡膠N50、硅橡膠N60 的結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著橡膠硬度的增大,整流器葉片的固有頻率變大,體現(xiàn)了橡膠硬度對(duì)整流器葉片振動(dòng)特性的影響;對(duì)比硅橡膠N60、天然橡膠N60和丁晴橡膠N60的結(jié)果發(fā)現(xiàn),帶硅橡膠的整流器葉片的固有頻率最大,其次為丁晴橡膠的,最小的為天然橡膠的,體現(xiàn)了橡膠材質(zhì)對(duì)整流器葉片振動(dòng)特性的影響。
(1)使用3 種本構(gòu)模型分析了4 種橡膠的超彈性特征,提出了Neo-Hookean 模型中的參數(shù)CNH1與最大應(yīng)變?chǔ)舖的關(guān)系。
(2)用非線性彈簧模型表征動(dòng)態(tài)特性與橡膠應(yīng)變的相關(guān)性,基于粘彈性分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)KV 模型與頻率的相關(guān)性,提出適用于橡膠材料的非線性彈簧-分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)模型。
(3)對(duì)帶橡膠整流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃頻試驗(yàn),使用非線性彈簧-分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)模型通過(guò)ANSYS 有限元軟件進(jìn)行迭代仿真,表明此模型可以很好地描述結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。
(4)分析了橡膠硬度和材質(zhì)對(duì)整流器葉片振動(dòng)特性的影響得出:隨著橡膠硬度的增大,帶橡膠阻尼整流器結(jié)構(gòu)的固有頻率逐漸提高,體現(xiàn)了橡膠硬度對(duì)整流器葉片振動(dòng)特性的影響;在硅橡膠、天然橡膠、丁晴橡膠這3 種橡膠材質(zhì)中,帶硅橡膠整流器結(jié)構(gòu)的固有頻率最高,其次為丁晴橡膠的,最小為天然橡膠的,體現(xiàn)了橡膠材質(zhì)對(duì)整流器葉片振動(dòng)特性的影響。
(5)本文從理論上分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)帶橡膠整流器結(jié)構(gòu),給出了適用于此結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模型,相比于只分析靜態(tài)下結(jié)構(gòu)的響應(yīng),動(dòng)態(tài)模型能更好地模擬帶橡膠整流器結(jié)構(gòu)的實(shí)際振動(dòng)特性。