[发明专利]一种针对轮体结构伞形振动的颗粒阻尼减振设计方法

说明书

技术领域

本发明属于转子结构的振动可靠性技术领域，具体涉及一种针对轮体结构伞形振动的颗粒阻尼减振设计方法。 

本发明属于转子结构的振动可靠性技术领域，具体为使用颗粒阻尼器对轮体结构进行减振的方法。 

背景技术

轮体结构在研制和使用过程中，振动问题难以避免，因振动引起的故障时有发生。轮体结构的伞形振动和节圆振动由于频率较低，低频激振力即可激起共振，因此在验证试验中极易出现。现代航空发动机中的某些转子部件除所处温度环境较高，还存在较大的离心载荷，在这些极苛刻环境下，干摩擦、粘弹性材料等传统阻尼技术难以持续地达到良好的减振效果，而颗粒阻尼技术却显示了极大优势。 

颗粒阻尼是一种能够达到较高机械阻尼的被动减振技术，它是在获得结构振动特性的基础上，将内部装填有不同材质颗粒的空腔附着在结构振动较大的区域，通过颗粒与颗粒以及颗粒与空腔之间的非弹性碰撞和摩擦消耗系统的动能，从而达到减振目的。与其他传统阻尼技术相比，颗粒阻尼技术的突出优点有:(a)不对结构附加质量，有利于轻量化；(b)不须改变结构部件的总体外形设计；(c)减振效果显著，且在较宽的频率范围(0～6000Hz)范围内均有一定减振效果；(d)阻尼特性稳定，不老化；(e)具有良好的减振、隔振和抗冲击综合特性。 

到目前为止，国内外对颗粒阻尼开展的理论及试验研究对象主要为悬臂梁及其类似结构，其振动典型特点为模态频率较低，结构响应的无量纲加速度范围较小(多数为Γ<20)。对于实际轮体机构，由于外形复杂，虽存在与悬臂梁一阶振动类似的伞形振动，但其对应频率较高，结构响应加速度大，再加上颗粒阻尼影响因素多，本身存在高度非线性，无法单纯通过数值模拟或者试验获得较好的颗粒阻尼器的设计方案，因此颗粒阻尼针对实用结构的应用很少。 

本发明利用正弦扫频试验首次给出了在无量纲加速度5<Γ<140范围内，不同材质、颗粒粒径对颗粒阻尼的影响规律，并结合颗粒阻尼离散元程序(DEM)对轮 体结构伞形振动的二维等效振动模型进行了数值模拟，给出了将颗粒阻尼应用到实际轮体结构件上的方法及操作步骤，其有效性已通过振动试验进行了验证。 

发明内容

本发明的目的是提供一种针对轮体结构伞形振动的颗粒阻尼减振设计方法，为轮体结构的减振引入新的手段。 

本发明为一种针对轮体结构伞形振动的颗粒阻尼减振设计方法，其具体步骤如下： 

步骤一：建立轮体的实体模型 

针对给定的实体模型在CAE前处理软件中建立目标轮体的有限元模型； 

步骤二：对建立的有限元模型进行结构分析 

首先，将建立的有限元模型导入到有限元软件ANSYS中，定义相应的材料参数，给定转速以及位移约束条件，通过静力分析得到离心力引起的结构应力分布，注意关注轮体结构的主要应力集中点位置及水平，轮缘位置的应力水平； 

然后，采用质量归一化的模态分析，不计转速，获得轮体结构的固有振动特性，并根据振型特点确定伞形振动所对应的频率； 

最后，在原有约束的基础上，初步设定结构阻尼，对有限元模型施加单位“1”的轴向阶跃正弦激励，获得轮体结构在正弦激励下的响应峰值及对应频率，并对伞形振动频率再次确定。 

步骤三：获得轮体结构伞形振动的二维等效模型 

采用振型归一化的模态分析，不计转速，利用能量法求解系统二维等效振动模型的特征参数：等效质量m_c，等效刚度k_c，并根据实际需要设定结构阻尼，完成二维等效模型的建立； 

步骤四：确定颗粒空腔尺寸 

由于轮体结构发生伞形振动时轮缘响应最大，首先根据轮体实际情况将颗粒阻尼器预装位置设定在尽量靠近轮缘处，由于同等空腔深度情况下，截面积越大，装填颗粒越多，减振效果越好，因此根据轮体尺寸设计截面积尽量大的颗粒空腔； 

随后，对打孔后的轮体进行静力分析，在保证材料强度的前提下对空腔的 截面尺寸进一步调整。 

步骤五：利用正交试验获得填充方案的设计规律 

首先，设计颗粒填充方案的正交试验。选取空腔边长d_c，空腔深度h，颗粒粒径d_p，颗粒填充率V_r作为影响因子，根据实际需要，对每个影响因子设计多个影响水平，结合4因子多水平正交表，可以得到正交试验各项子试验的具体内容；