航空发动机外部管路的振动响应分析

航空发动机外部管路的振动响应分析

司婷婷 王浩

国营长虹机械厂 广西桂林 541002

摘要：针对航空发动机外部管路的动力学设计需求，采用基于试车实测数据的振动响应求解方法，对典型管路的振动响应特性进行了计算分析。研究结果表明：在风扇机匣位置的管路主要承受转子不平衡和风扇气动激励，表现为典型的简谐激励特征，可采用谐响应分析方法求解其振动响应。低阶振型对管路的动态特性起决定作用，振动能量输入导管结构后，响应输出方向可能发生变化。在燃烧室及尾喷口位置的管路主要承受来自于燃烧室火焰脉动和气动噪声激励，表现为典型的随机激励特征，可采用动力学谱密度方法求解其振动响应，得到功率谱密度响应曲线及具有一定置信度的位移分布和应力分布。

关键词：振动响应；外部管路；振动环境；功率谱密度；谐响应分析；动力学谱分析；航空发动机

1.发动机管路振动理论分析

振动伴随着所有的运动机械以及受到动态载荷激励的工程结构系统，振动问题也是实际工程中不可忽视的重要问题，因为很多重要的信息，比如机械结构或系统固有的模态振动特性和运行状态等信息，我们都可以从振动信号中分析得到，同时结构系统的运行或工作品质等也可以从振动状态中表现出来，如我们生活中常见的交通运载工具的安全性和舒适性；以及桥梁、大楼等工程结构的抗震能力和使用寿命等。

1.1 振动问题介绍

对于结构动力学来说，振动是其核心研究内容之一，而振动问题的构成有激励(作为输入)、振动结构(系统)和响应(作为输出)三部分。

振动问题依照研究目的分为以下三种基本类型：

(1)施加给系统的激励和系统的自身结构已知，求结构系统的响应这类问题是人们最早开始研究的，且到目前为止，也是研究的最多的一类振动问题，这就是系统的动力响应分析，被称为振动的正方向问题，其主要思路是：由于系统的激励载荷是知道的，简化系统结构后，解耦系统数学模型得其动力响应参数，同时也能依这些求解的响应参数作为参考依据对原有的结构系统进行优化设计。在实际工程问题中，这类基于线性振动理论的分析方法使用较多，且分析结果满足要求。

有限元分析法是求解结构系统动力响应使用最多，性价比最高的方法，也是计算模态分析的核心，通过建立合理的结构模型，设定适当的边界约束条件，可以方便求得复杂结构在复杂激励下的振动响应，这大大减少了结构系统的设计与优化成本。本文后面基于Workbench软件的Modal模块和harmonic Response模块对发动机管路系统的模态和谐响应分析就属于这类范畴。

(2)已经知到了振动结构的载荷激励和响应输出，求结构系统的振动参数这类问题主要是进行系统结构的模态参数识别，也即系统辨识。工程实际应用中，大多数情况下，虽然外界激励和振动结构是已知的，但人们对系统结构的响应情况并不满意，因此需要进一步对结构系统进行优化，以达到系统响应满足预期要求。而实际情况是，对系统结构的优化修改，依赖于经验的积累，需要反复多次尝试，效率低下，采用有限元方法可以有效地提高系统结构优化的效率，但有限元分析对建立的简化模型比较依赖，若原始迭代模型建的不好，求解结果会严重失真，鉴于此由激励和响应反推系统结构参数显得很有必要，其中模态频率、振型和模态阻尼等模态参数的识别是模态分析中重点关注的。

(3)已知系统结构和系统的振动响应，求激励

这类问题属于振动的一类逆问题，通常也称为环境预测或环境模拟。为了知道原来的结构系统或优化后的振动结构在某些特定激励下的动力响应情况，先确定这些激励的情况是很有必要的，比如激励情况比较复杂的振动，其激励要由结构和其振动响应来反推，顾名思义这也被称为载荷识别问题。

1.2 发动机管路振动的因素分析

由于航空发动机的工作环境比较恶劣，其工作时必然伴随着振动现象，这种振动问题一般比较复杂，主要体现在：

(1)兼有转动和静止、整体和局部性、流固耦合和结构耦合的复杂结构振动；

(2)主要是以转子和气动激励为主的多点、多频耦合的复杂激励源；

(3)是结构力学特征非线性、非确定性的时变转子动力学问题；

航空发动机管路的振动相当复杂，若按照激励的性质来划分，则管路振动大致可分两类：一类是指管路在周期性或者随机性的载荷(机械的或流体的载荷)作用下的振动，而这些激励载荷可以是外界施加的，也可以是管路内部产生的，这类振动称为强迫振动；另一类是针对输流管路而言，其内部输运的流体介质的运动与管路自身的运动相互作用下产生的振动响应，这类振动称为自自激振动。而就发动机管路来说，其诱发其产生振动的主要因素有：

(1)发动机转子源激振：包括内部转子系统不平衡、不对中、临界转速、多

转子干涉等引起的激振力通过机匣和卡箍作用于管路，这类激励多与发动机的工作转速有关，且主要为不平衡导致的周期性谐波激励；

(2)气源激励：如发动机进气道内的流场畸变、发动机发生喘振及通过放气

活门或放气带放气引起的激振力；

(3)输运流体介质的激励：主要是输运流体的压力和流量脉动引起的激振力；

(4)飞机自身的结构振动诱发的管路系统宽频随机激励；

(5)其他激励源：燃烧室的振荡燃烧、不均匀燃烧，尾流排放的噪声等激励；综上，航空发动机管路系统的振动的激励源较多，频带较宽，非线性影响因素较多。

2.管路振动仿真分析与验证

为验证两端固支管路简化模型振动模态试验准确性，以AnsysCDPL15对管路结构振动特征仿真。依据管路尺寸构建两端固支管路仿真模型，约束与试验真实约束一致。选取管路结构单元SHELL181—4个节点定义，各节点6自由度。设置管路物理参数，以精细度3对管路自动网格划分，加载约束后模态分析，计算管路结构模态参数。

试验和仿真结果有较好符合性：固有频率值，除第1阶误差较大，为33.62%，第2、3阶误差在14.84%、12.01%，在10%～20%之间,基本保持一致；主振型值，试验得到的3阶结果与仿真计算的第1、5、9阶一致(其他阶只是振型方向不同)。两者计算结果差异除管路结构固有频率值之外，主要在于仿真结果的主振型不仅示出管路不同阶弯曲振型，还能示出同振型的“x+、x-、y+、y-”4个方向，试验结果示出1个方向弯曲振型，难以出叠加的其他方向同样振型。差异原因在于简化管路模型将三维结构变为二维结构，上下对称结构振型难以示出，同时二维结构为轴左右对称结构，左右方向振型由于试验误差及振型叠加，试验结果只能在去除小变形后示出多弯曲主振型。

综上，试验和仿真结果的基本符合使物理参数不全或不明的结构通过振动模态试验分析结构特征可行，为航空发动机管路设计制造维护等提供试验方法。

结束语

固有频率绝对值差异较小、结构主振型一致性的特点使航空发动机管路试验简化模型替代真实模型可行，即减少试验测试节点数，降低主振型叠加量。

参考文献

[1] Pittard M T, Evans R P, Maynes R D,et al.Experimental and numerical investigation of turbulent flow induced pipe vibration in fully developed flow[J]. Review of Scientific Instruments, 2004, 75(7):2393-2401