薄壳构件的振动控制技术及减振优化设计

发布时间:2021-11-22浏览次数:13

学术带头人:孙伟教授

涉及的项目:

[1] 国家自然科学基金面上项目,基于阻尼涂层的整体叶盘主动失谐设计及减振研究,62万(直接经费),编号:517750922018.1-2021.12.

[2] 国家自然科学基金面上项目,动力装备中的薄壳构件硬涂层阻尼减振机理研究,80万,编号:51375079 2014.1-2017.12.

[3] 国防973子课题,薄壁构件振动测试技术XX叶片减振技术,165万, 2010.1-2015.12.

[4] 中央高校基本科研业务费国防重大培育项目,航空发动机典型薄壳构件被动及主动阻尼减振研究,编号:N18031201235万,2019. 1 -2021.12

[5] 中国工程物理研究院总体工程研究所,横向课题,硬涂层加工工艺及性能研究,合同款52万,2018.6-2020.05

1薄壳构件硬涂层阻尼减振技术

航空发动机叶片、整体叶盘、鼓筒等薄壳构件,在气动、惯性力、温度场等载荷的共同作用下很容易产生共振而使结构发生振动损伤故障。这里提出一种硬涂层阻尼减振技术来抑制上述薄壳构件的有害振动。硬涂层是指由金属基、陶瓷基或两者的混合制成的涂层材料,将其喷涂在构件表面以增强结构的抗振性能,喷涂工艺包括:等离子喷涂、电子束物理气象沉积、火焰喷涂等。制备出的硬涂层主要有:MgO+Al2O3Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ)NiCrAlMg-AlNiCrAlY+YSZ等。硬涂层的减振机理主要在于涂层颗粒之间的内摩擦,当硬涂层随主结构一起运动时由于涂层颗粒之间的内摩擦而耗能。硬涂层减振主要技术优势在于:硬涂层可以在高温、高腐蚀环境下降低薄壳构件的振动应力;对构件的质量增加小,不影响构件的主要气动性能;涂层可设计性强,可按需要设计涂层力学参数及涂敷位置。

目前,东北大学课题组已经建立起薄壳构件硬涂层阻尼减振较为完整的方法体系(全球大约50%以上的硬涂层减振论文出自我课题组),包括硬涂层材料制备、硬涂层材料力学特性参数辨识、涂层复合结构振动测试、建模以及阻尼优化设计等。实践表明在薄壳构件涂敷150-300μm硬涂层后:复合结构的固有频率会发生小幅变化,变化的范围通常小于3%;硬涂层会使薄壳结构的各阶次的阻尼系数显著增加,增加的范围一般在15%-40%;硬涂层会减少薄壳结构的各阶次的共振响应,减少的幅度在10-30%之间。图1.1为一些典型的涂层试件,图1.2为涂层表面形貌,图1.3为涂层减振效果。

1.1 一些典型的涂层试件

               

  图1.2硬涂层表面形貌     1.3加装涂层前后振动响应对比

2薄壳构件粘弹性自由及约束阻尼减振技术

   粘弹性阻尼减振是一种重要的减振方式,这项技术开始于上世纪60年代,通常将粘弹性材料贴敷(表面处理)或者嵌入在薄壳结构中,利用粘弹性材料高的内阻尼来实现减振。粘弹性材料通常为高分子聚合物,拥有长的、网状分子链,当受循环力作用时,可产生高的能量耗散。由于阻尼减振工艺措施相对简单,实施起来经济、附加质量小,粘弹性阻尼减振已经在航天、航空、车辆等领域中广泛应用,并形成了一套相对成熟的技术体系。大部分粘弹性阻尼减振是通过对结构的表面处理来实现减振这一目标。按粘弹性材料结构形式的不同可分为自由阻尼层减振(Free-layer dampingFLD)和约束层阻尼减振(Constrained layer damping CLD)。所谓自由阻尼层减振是将粘弹性材料直接贴敷在结构的表面,通常依赖于拉伸效应来实现减振;而约束层阻尼减振实在粘弹性材料上放置一个金属的约束层,组成约束阻尼材料,利用粘弹性材料的剪切耗能来实现减振。实践已经显示约束层阻尼通常拥有更好的减振效果,其可以用很薄的一层来实现较好的阻尼减振效果,但是由于自由阻尼层制备以及复合结构分析与设计相对简单,仍有较为广泛的应用。

 东北大学课题组在薄壳构件粘弹性阻尼减振方面也取得了较为丰富的成果,主要包括具有频率(温度)依赖性的粘弹性材料本构模型辨识、粘弹性阻尼结构动力学建模及优化设计等。基于粘弹性阻尼层的减振,其减振效果优于硬涂层,其一般均可使共振峰降低20-40%,在优化设计的辅助下,甚至可使共振峰降低2倍以上,因而如薄壳构件工作环境温度在100以内,应优先选择粘弹性阻尼减振相关技术方法。图2.1为一些贴敷粘弹性阻尼层的试件,图2.2为一些实测的减振效果对比图。

2.1 一些贴敷粘弹性阻尼层的典型试件

2.2 粘弹性阻尼减振效果比对

3薄壳构件压电分流阻尼减振技术

压电分流阻尼减振是由美国NASA研究人员提出的一项减振技术,实际上是将带有分流电路的压电片贴在或嵌入在薄壳结构上作为吸能装置,压电片会将振动能量转换为电能传递给分流电路,利用分流电路的电阻消耗振动能量从而实现减振。压电分流减振方法在原理上与调谐质量动力吸振相似,需要调谐电路(包括电阻-电容-电感)的固有频率与结构的固有频率相一致,以达到最优的减振效果。但是,相比于调谐质量动力吸振器具有更小的附加质量,这对于航空、航天构件有着重要的意义。另外,如果仅有电阻分流则与粘弹性阻尼减振机理相似。这项减振技术主要利用的是压电材料的正压电效应,压电片随主结构发生变形时会产生电能,分流电路会利用电阻将电能消耗掉,因而不需要外接电源,是一种纯被动阻尼减振技术。该技术的分流电路结构也较为简单,可靠性较高,已在航空、车辆等领域得到应用,图3.1为在航空发动机叶片上的应用实例。

3.1 压电分流阻尼减振在航发叶片上的应用实例

   东北大学课题组已在薄壳构件压电风流阻尼减振方面进行了初步探索性研究,主要组建了相关试验系统并对减振效果进行了测试,目前也能创建相应的动力学分析模型,对压电分流减振的效果进行有效预估。图3.2为组建的试验系统,图3.3为减振效果测试结果,可见其减振能力也很强。

3.2薄板结构压电分流阻尼减振测试实验系统


3.3实验加速度响应对比图

4 薄壳构件减振优化设计技术

对振动超标的薄壳构件进行振动控制,可以从两方面去考虑,一是在设计阶段修改薄壳构件的结构参数,二是在薄壳构件上附加相关的减振措施(例如,前面所述的3种技术)。无论选择哪种振动控制理念,都要利用优化设计技术,使薄壳构件获得最优的减振效果。

东北大学课题组已在薄壳构件减振优化设计方面进行了系统的研究,包括针对一个具体的待减振结构,创建以设计变量为受控参数的动力学分析分析模型(参数化模型)作为优化的基础模型,这个动力学模型对简单结构可以是解析模型,对于复杂结构可以是利用工程有限元软件创建的有限元分析模型;在充分考虑设计变量各种工程约束的前提下,创建以总质量最小、模态阻尼最大、共振响应(应力)最小的单目标及多目标优化模型;提出了利用各种智能算法(粒子群、遗传算法)对优化模型的求解方法。

上述优化方法,也可以向其他工程优化问题进行转化。图4.1至图4.3为一些典型案例。



4.1 薄壁圆柱壳阻尼片贴敷位置优化



4.2 基于直线段调整的管路系统减振优化


4.3 基于卡箍位置调整的管路系统减振优化