一种针对通用叶盘结构的嵌入式压电分支阻尼优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种针对通用叶盘结构的嵌入式压电分支阻尼优化设计方法，属于航空发动机振动抑制技术领域。首先建立叶盘结构中第一个叶盘扇区的有限元模型，输入嵌入式压电分支阻尼优化的参数。然后设置周期性边界条件进行分析，得到预分析部件上各部件的所有备选单元排序，并投影回第一个叶盘扇区上与预分析部件相同的部件上。将第一个叶盘扇区上各部件排序后的所有备选单元，按顺序将该备选单元的材料替换为压电材料，将替换的各部件上的所有压电材料之间通过电路连接成一个整体；最后将模态分析结果扩展到整个叶盘，计算整个叶盘的模态机电耦合系数；通过机电耦合，使叶盘结构的阻尼最优。本发明专利技术实现了批量设置，大大减少了工作量。

An Optimum Design Method for Embedded Piezoelectric Branch Damping of General Blade Disk Structure

The invention discloses an embedded piezoelectric branch damping optimization design method for a general blade disc structure, belonging to the technical field of aeroengine vibration suppression. Firstly, the finite element model of the first blade disc sector in the blade disc structure is established, and the parameters of embedded piezoelectric branch damping optimization are input. Then the periodic boundary conditions are set for analysis, and all the alternative units of the components on the pre-analysis unit are sequenced, and projected back to the same parts on the first blade sector as the pre-analysis unit. The material of the unit is replaced by piezoelectric material sequentially, and all piezoelectric materials on the replaced parts are connected into a whole through a circuit. Finally, the modal analysis results are extended to the whole blade disc to calculate the modal electromechanical coupling coefficient of the whole blade disc. Through electromechanical coupling, the blade disc knot is made. The damp of the structure is optimal. The invention realizes batch setting and greatly reduces the workload.

【技术实现步骤摘要】
一种针对通用叶盘结构的嵌入式压电分支阻尼优化设计方法
本专利技术属于航空发动机振动抑制
，具体是一种针对通用叶盘结构的嵌入式压电分支阻尼优化设计方法。
技术介绍
叶盘结构是航空发动机的关键部件，随着发动机性能向高推重比、高旋转速度的方向发展，叶盘结构的工作条件越来越苛刻。由叶盘结构振动引起的高周疲劳问题已成为整机故障最主要的来源之一，直接影响到发动机整机的结构完整性和工作可靠性。增大叶盘结构的阻尼是抑制其振动的主要手段之一，随着整体叶盘结构技术在新型航空发动机中的广泛使用，将叶片和轮盘设计成一个整体，虽然省去了连接件和锁紧装置，使得叶盘结构重量减轻，零件数减少，避免了榫头的气流损失，有助于提高发动机的推重比。但与此同时，由于没有榫头、凸肩等具有减振功能的结构设置，整体叶盘结构的机械阻尼大大降低，由结构振动导致的高周疲劳问题将更为突出。智能材料与结构的出现为解决结构系统的振动问题开辟了新的路径；其中，压电材料由于其具有正、逆压电效应，再加上工作频带宽和机电转换效率高等优点，成为开发最早、应用最广泛的智能材料。基于压电材料的振动控制成为了一个非常活跃的研究领域。其基本原理是在压电材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对通用叶盘结构的嵌入式压电分支阻尼优化设计方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、针对航空发动机的通用叶盘结构，建立叶盘结构中第一个叶盘扇区的有限元模型；第一个叶盘扇区为随机选择的一个扇区，每个扇区包括叶片、轮毂和轮盘三个部件；步骤二、输入有限元模型中对嵌入式压电分支阻尼优化的相关参数；步骤三、针对建立了有限元模型的第一个叶盘扇区，在该叶盘扇区与相邻叶盘扇区的交界面上设置周期性边界条件；步骤四、利用周期性边界条件对有限元模型进行分析，得到预分析部件上各部件的所有备选单元排序，并投影回第一个叶盘扇区上与预分析部件相同的部件上；具体分析包括：在指定编号的扇区a上振动明显的预分析部件，选择...

【技术特征摘要】
1.一种针对通用叶盘结构的嵌入式压电分支阻尼优化设计方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、针对航空发动机的通用叶盘结构，建立叶盘结构中第一个叶盘扇区的有限元模型；第一个叶盘扇区为随机选择的一个扇区，每个扇区包括叶片、轮毂和轮盘三个部件；步骤二、输入有限元模型中对嵌入式压电分支阻尼优化的相关参数；步骤三、针对建立了有限元模型的第一个叶盘扇区，在该叶盘扇区与相邻叶盘扇区的交界面上设置周期性边界条件；步骤四、利用周期性边界条件对有限元模型进行分析，得到预分析部件上各部件的所有备选单元排序，并投影回第一个叶盘扇区上与预分析部件相同的部件上；具体分析包括：在指定编号的扇区a上振动明显的预分析部件，选择各部件的表面单元作为备选单元，并提取所有备选单元的潜在电场强度的分量，按该分量值从大到小对备选单元的编号进行排序，将所对应的备选单元编号按顺序投影回第一个叶盘扇区上与预分析部件相同的部件上；潜在电场强度是指：假设将某个备选单元的材料替换成压电材料后，该备选单元由于压电效应而产生的电场强度；同时，替换成压电材料的该备选单元为压电单元；压电单元的电场强度分解成为三个分量，每个分量各沿着单元局部坐标系一个轴的方向，用E1，E2和E3表示；针对3方向上的潜在电场强度E3，计算如下：其中，h3j代表压电常数；Sj代表备选单元在局部坐标系下的应变张量，此局部坐标系的3轴指向该单元所在表面的法向向外；针对指定编号的扇区a上某个预分析部件，所有备选单元的潜在电场强度从大到小排列后的第b个备选单元的值为将该备选单元的编号投影回第一个叶盘扇区上相同的部件，计算如下：其中，N代表扇区的总单元数；Nal为此部件上备选单元的数量总值；为第一个叶盘扇区上的与预分析部件相同的部件对应的投影后的第b个备选单元的值；步骤五、将第一个叶盘扇区上各部件排序后的所有备选单元，按顺序将该备选单元的材料替换为压电材料，直至达到输入参数压电材料用量的值；步骤六、针对替换为压电材料后的第一个叶盘扇区，将替换的各部件上的所有压电材料之间通过电路连接成一个整体；步骤七、通过周期性边界条件将模态分析结果扩展到整个叶盘，从而计算整个叶盘的模态机电耦合系数；第i阶模态机电耦合系数由下式确定：其中：fiOC代表外接电路开路时叶盘结构的i阶模态频率；fiSC代表外接电路短路时叶盘结构的i模态频率；步骤八、通过机电耦合，使得叶盘结构的阻尼达到最优。2.如权利要求1所述的一种针对通用叶盘结构的嵌入式压电分支阻尼优化设计方法，其特征在于，步骤一中所述的有限元模型中的网格数量满足获得“网格无关解”，即：使得对所关注的模态，进一步加密网格所得的模态频率偏差低于千分之一。3.如权利要求1所述的一种针对通用叶盘结构的嵌入式压电分支阻尼优化设计方法，其特征在于，所述的步骤二中，输入的参数包括：预分析的模态族数，节径数，指定编号的扇区，压电材料用量和预分析部件；预分析的模态族数和节径数根据使用压电材料抑制的不同模态族以及不同节径的振动而设定；指定编号的扇区是从所有扇区中选择振动明显的扇区，并进一步确认振动明显的部件作为预分析部件；预分析部件包括单独的叶片、轮毂或者轮盘；叶片和轮毂，叶片和轮盘，或者轮毂和轮盘中任意两个部件组合；以及叶片，轮毂和轮盘的组合；压电材料用量为：使用的压电材料的最大质量与预分析部件总质量的比值。4.如权利要求1所述的一种针对通用叶盘结构的嵌入式压电分支阻尼优化设计方法，其特征在于，步骤三中所述的周期性边界条件是指...

【专利技术属性】
技术研发人员：范雨，李琳，马皓晔，田开元，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11