适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析方法技术方案

本发明专利技术涉及航空发动机振动分析领域，具体公开一种适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析方法，包括：板

【技术实现步骤摘要】
适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析方法


[0001]本专利技术属于航空发动机振动分析领域，特别是涉及一种适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析方法。

技术介绍

[0002]航空发动机承力结构系统由轴承座、承力框架及机匣等组成，为航空发动机提供支承和约束，是航空发动机的“骨骼”。承力结构系统多采用轻质板
‑
壳组合结构，并由法兰
‑
螺栓连接为一体，其独特的结构、载荷特征是影响振动能量传递耗散特性的关键：其一，承力支板与机匣的载荷方向有所差异，二者组合时受力、振动模式的不协调易在耦合界面附近产生能量聚集，影响承载结构内能量传递与分布；其二，连接界面局部存在粘滞
‑
滑移等行为，具有非线性刚度损失、迟滞阻尼耗能等特征，使得结构系统响应及能量传递特性具有复杂性。
[0003]由于构造复杂，工作环境极端恶劣，航空发动机承力结构系统容易发生故障。其中，损伤变形或失效故障是承力结构系统较为严重的故障，对发动机可靠工作有很大影响，而振动响应过大是造成承力结构系统发生此类故障的主要原因。因此，及时、准确地预估工作载荷下承力结构系统振动响应及能量传递/分布特性具有重要意义。
[0004]传统由结构模态特征、传递函数或响应的振动特征分析方法难以直观描述振动能量在结构内的传递、分布特征，而振动功率流法由于其可衡量振动能量的特点，近年来受到广泛关注。功率是指单位时间中载荷对物体所做的功，结构内功率值的动态变化即为功率流，其从能量的观点衡量振动传递，相对于单一力或位移、速度、加速度等参数，所表达振动信息更为丰富。Lee H.P等实现对带孔复合材料薄板结构声强特征的仿真分析；Y.Wang等基于功率流法实现对简支圆柱壳的振动和声辐射问题可视化分析。但此类功率流分析方法仅针对线性结构系统进行计算，未考虑螺栓连接等非线性结构。Wang等进一步针对带有螺栓连接的简单结构进行了分析，揭示了接触界面的能量耗散的影响，但局限于机理研究，仅能分析较为简单的结构，对于结构复杂的航空发动机承力结构系统难以加以应用。
[0005]因此，亟需一种能够适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析方法，以解决上述问题。

技术实现思路

[0006]提供了本专利技术以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析方法，从而实现对工作载荷下航空发动机承力结构系统振动能量传递特性的准确预测，为工程实践中开展承力结构系统动力学设计提供技术支撑。
[0007]根据本专利技术的第一方案，提供了一种适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析方法，所述方法包括：基于板
‑
壳组合等构形突变结构能量传递机理，对含突变截面非连续承力结构进行等效建模；连接界面能量耗散求解，及在结构系统能量传递分析中的等
效技术，得到等效分析模型；基于所述等效分析模型进行响应求解及系统振动能量分布，得到响应特征，并计算得到各结构单元/节点功率流矢量，所述响应特征包括结构各节点的振动位移、速度、节点力；振动能量传递与分布特征的可视化表达。
[0008]根据本专利技术的第二技术方案，提供一种适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析装置，所述装置包括：等效建模模块，被配置为基于板
‑
壳组合等构形突变结构能量传递机理，对含突变截面非连续承力结构进行等效建模；求解模块，被配置为连接界面能量耗散求解，及在结构系统能量传递分析中的等效技术，得到等效分析模型；功率流矢量计算模块，被配置为基于所述等效分析模型进行响应求解及系统振动能量分布，得到响应特征，并计算得到各结构单元/节点功率流矢量，所述响应特征包括结构各节点的振动位移、速度、节点力；可视化模块，被配置为振动能量传递与分布特征的可视化表达。
[0009]根据本专利技术的第三技术方案，提供一种存储有指令的非暂时性计算机可读存储介质，当所述指令由处理器执行时，执行如上所述的方法。
[0010]根据本专利技术各个方案的适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析方法，其至少具有以下技术效果：
[0011]本专利技术具有可考虑几何突变、连接界面摩擦耗能等复杂结构特征影响，可直观预测、描述能量传递、分布特征等优点，可适用于具有多样几何构形、连接结构的复杂结构系统振动传递分析。为工程实践中航空发动机承力结构系统振动传递特性分析与动力学设计提供技术支撑。
附图说明
[0012]在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所专利技术的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
[0013]图1为适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析方法的流程图。
[0014]图2为典型承力结构系统结构与力学特征示意图。
[0015]图3a为典型承力框架结构特征示意图。
[0016]图3b为薄壁板
‑
壳组合模型示意图。
[0017]图4为承力结构系统有限元等效模型示意图。
[0018]图5a为法兰
‑
螺栓力学特征示意图。
[0019]图5b为法兰
‑
螺栓等效建模示意图。
[0020]图6为含界面的结构自由度分类示意图。
[0021]图7为考虑摩擦接触界面的振动能量传递分析的流程图。
[0022]图8为横向振动薄板微元体正应力状态。
[0023]图9为横向振动薄板内力特性。
[0024]图10a为面内纵向振动时薄板微元体应力示意图。
[0025]图10b为面内纵向振动时薄板微元体受载状态示意图。
[0026]图11为承力结构不同位置响应传递率曲线图。
[0027]图12a为承力结构系统振动功率流特征矢量图。
[0028]图12b为承力结构系统振动功率流特征流线图。
[0029]图13为适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析装置的结构图。
具体实施方式
[0030]为使本领域技术人员更好的理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本专利技术的实施例作进一步详细描述，但不作为对本专利技术的限定。本文中所描述的各个步骤，如果彼此之间没有前后关系的必要性，则本文中作为示例对其进行描述的次序不应视为限制，本领域技术人员应知道可以对其进行顺序调整，只要不破坏其彼此之间的逻辑性导致整个流程无法实现即可。
[0031]本专利技术实施例提供一种适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析方法，该方法的研究对象为某航空发动机承力结构系统，其振动响应传递分析过程如图1流程图所示。下面，将通过对具体的实施例对上述航空发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.适用于非连续承力结构系统的振动能量传递分析方法，其特征在于，所述方法包括：基于板
‑
壳组合等构形突变结构能量传递机理，对含突变截面非连续承力结构进行等效建模；连接界面能量耗散求解，及在结构系统能量传递分析中的等效技术，得到等效分析模型；基于所述等效分析模型进行响应求解及系统振动能量分布，得到响应特征，并计算得到各结构单元/节点功率流矢量，所述响应特征包括结构各节点的振动位移、速度、节点力；振动能量传递与分布特征的可视化表达。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于板
‑
壳组合等构形突变结构能量传递机理，对含突变截面非连续承力结构进行等效建模，具体包括：承力结构系统力学特征识别及模型单元的选取；板
‑
壳组合等典型构形突变结构的特征等效：局部圆柱坐标系下以中性面位移分量表示的柱壳结构振动微分方程：式中，h
s
、R
s
分别表示圆柱壳体厚度、半径，u
s
、v
s
、w
s
分别表示壳体曲面任一位置沿轴向、周向(切向)及径向(法向)位移响应，θ
s
表示平板与壳体连接处的夹角，t表示时间，x
s
、r
s
表示柱坐标中的轴向、角向、径向分量，E
s
、ρ
s
、v
s
分别表示圆柱壳体材料杨氏模量、密度、泊松比，q
x
、q
r
分别表示圆柱壳体沿x、r方向所受外激励载荷，表示壳体薄膜刚度，表示微分运算符，薄壁圆柱壳所受内力包括沿轴向、切向内膜力、力矩和剪力，各点内力与其位移变形关系表示为：系表示为：系表示为：系表示为：
式中，表示薄壁圆柱壳所受的沿轴向、切向内膜力，表示薄壁圆柱壳所受的沿轴向、切向内膜力，表示薄壁圆柱壳所受力矩，表示薄壁圆柱壳所受剪力，D
x
表示壳体弯曲刚度；板
‑
壳组合截面的协调关系包括各向变形的连续性以及内力或力矩平衡，沿板
‑
壳组合截面将结构分为三部分，包括两个壳体和平板子结构，在组合边界处各子结构均受力与力矩作用；对于壳体子结构，其广义力与变形均以圆柱坐标表示，平板结构广义力与变形以其局部直角坐标表示；根据结构连续性，组合截面同一位置沿绝对坐标系同方向位移与转角连续，即：根据结构连续性，组合截面同一位置沿绝对坐标系同方向位移与转角连续，即：式中，u
s1
、u
s2
、u
p1
分别表示壳体1、壳体2和平板的轴向位移响应，v
s1
、v
s2
、v
p
表示壳体1、壳体2和平板的周向位移响应，w
s1
、w
s2
、w
p
分别表示壳体1、壳体2和平板的径向位移响应，表示壳体1的角向分量，表示壳体2的角向分量，y
p
表示平板位移响应的垂直分量；同时，组合截面存在结构间作用力与力矩的平衡，即：同时，组合截面存在结构间作用力与力矩的平衡，即：式中，表示壳体1的切向内力，表示壳体2的切向内力，表示平板的垂向内力，表示平板的垂向剪力，表示壳体1的切向剪力，表示壳体2的切向剪力，表示壳体1的轴向内力，表示壳体2的轴向内力，表示平板的轴向内力；联立薄板和薄壁圆柱壳体动力学方程，并通过连接截面变形连续条件及力/力矩平衡条件实现二者组合，得到组合结构的动力学方程；含摩擦接触界面连接结构的特征等效：近似认为法兰
‑
螺栓结构为完全周期对称的系统，将由扇区模型得到的等效刚度、阻尼参数周期扩展到整个法兰
‑
螺栓连接，通过超单元引入结构系统有限元模型；在同等载荷环境下，近似认为不同位置螺栓连接结构具有与局部载荷特征成正比的局部刚度损失、阻尼特性，根据各位置振动载荷分布特征实现对其他位置的近似等效建模；振动能量传递路径外附件结构的简化等效：附件结构利用子结构分析理论凝聚为一个
超单元。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连接界面能量耗散求解，及在结构系统能量传递分析中的等效技术，得到等效分析模型，具体包括：对连接界面进行线性子结构减缩，对于带有接触界面的局部非线性结构系统，其包括界面处接触节点自由度集合(X
i
)、用于施加载荷或提取响应的活跃节点自由度集合(X
a
)、以及除此二者之外的子结构内部节点自由度集合(X
s
)，各集合内自由度数分别记为n
i
、n
a
、n
s
，其中，界面接触节点自由度(X
i
)及活跃节点自由度(X
a
)可组集为边界节点自由度，记为X
b
，其自由度为n
b
＝n
a
+n
s
；结构系统动力学方程为：式中，M
bb
、M
ss
表示质量阵，M
bs
、M
sb
表示质量阵的耦合项，表示加速度阵，C
bb
、C
ss
表示阻尼阵，C
bs
、C
sb
表示阻尼阵中的耦合项，表示速度阵，K
bb
、K
ss
表示刚度阵，K
bs
、K
sb
表示刚度阵中的耦合项，X
b
、X
s
表示位移阵，F
b
、F
s
表示载荷。下标中b和s分别表示边界节点自由度和子结构内部节点自由度；在确定各频率下计算收敛的摩擦力、接触点相对振动位移等参数后，得到接触节点间等效刚度、等效阻尼参数，并引入结构系统有限元模型，实现等效建模；其中，对于考虑界面摩擦载荷的非线性系统，其动力方程用复刚度形式表示为：式中m表示质量，表示加速度，k(1+iδ)表示复刚度，x(t)表示位移，p(θ(t))表示外部简谐激励载荷，f
t
(t)表示界面摩擦力；进行动力学响应分析时，动力学方程变换为：其中：令：令：式中，k表示刚度，表示位移，m表示质量，ω表示圆频率，P表示载荷，表示谐波平衡法等效载荷，f
t
(θ)表示谐波平衡法等效载荷的微分形式，ke
q
表示等效刚度项，c
eq
表示等效阻尼项；计算得到振动响应、界面摩擦力后，即可得到等效附加刚度、阻尼特征：
结合一维接触单元模型，得到界面等效刚度、阻尼表达式：式中，k
t
表示切向刚度，表示位移响应值，x
cr
表示沿切向的临界滑移位移；得到界面接触点间的特征参数，并将所述特征参数引入具有高自由度的复杂结构系统有限元模型，所述特征参数包括等效刚度和等效阻尼。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述等效分析模型进行响应求解及系统振动能量分布，得到响应特征，并计算得到各结构单元/节点功率流矢量，具体包括：使用有限元分析软件，导入结构几何模型，输入材料参数，并确定单元类型，在前处理模块创建待研究结构的有限元网格模型；通过载荷条件命令、边界条件命令，对所建立有限元模型施加载荷及边界约束条件；进入求解模块，确定求解类型并设置相关计算参数，开展动力学求解进入后处理模块，确定分析时刻/频率、数据提取位置、数据类型，通过内力、响应分析提取命令得到待分析结构的内力、速度；保存待分析结构的内力、速度等参数，并保存...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永锋，马艳红，王治州，李超，陈雪骑，洪杰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：