机动飞行下裂纹转子的非线性特性研究

【摘要】：本文主要对机动飞行下单盘裂纹转子的非线性响应和非线性分析方法进行了研究。旨在揭示机动飞行产生的附加离心力和附加陀螺力矩对裂纹转子系统非线性响应的影响。 对于机动飞行过程,建立了水平盘旋、俯冲拉起两种机动飞行附加载荷的计算模型和机动飞行下Jeffcott转子的运动微分方程,并对转子的振动特性进行了仿真。研究发现,机动飞行所产生的附加离心力和附加陀螺力矩使得转子发生明显变形。 对于非线性研究方法,提出了周期采样峰-峰值图和改进Poincaré映射两种非线性分析方法,并用其研究了Duffing方程、粉碎机锤片振动、振荡电路和Lorenz系统的非线性响应,结果表明本文提出的新方法既改进了Poincaré映射的一些不足,又具有一些新的优势,在实际应用中是切实可行的。 基于断裂力学理论,推导了含裂纹轴的刚度,并分析了裂纹深度、细长比等因素对其刚度的影响,得到如下结论:裂纹越深,转轴的刚度就越小;细长比越大,裂纹对轴刚度的影响就越显著;小裂纹情形下,可仅考虑刚度在垂直裂纹方向ξ的变化情况,当裂纹较大时,两个方向的刚度要同时考虑,否则会引起较大误差。 最后,研究了裂纹转子在平飞、水平盘旋和俯冲拉起等状态下的非线性响应,发现:开闭裂纹模型比余弦裂纹模型具有更强的非线性,可用2/3倍临界转速附近的非线性响应来判断裂纹是否具有开闭性质;平飞状态系统的非线性响应主要集中在1倍临界转速以上:响应进入混沌的道路有拟周期环面破裂、周期3运动失稳和阵发性混沌进入混沌三条道路。水平盘旋和俯冲拉起均对系统的非线性响应起到了抑制作用,但是系统响应的振幅明显增大,因此增大了转轴发生断裂和碰摩的可能性;水平盘旋和俯冲拉起对深度非线性响应的抑制作用不是很明显;并且,水平盘旋和俯冲拉起会激起转角临界转速分频附近出现非线性振动或峰-峰值较大幅度的跳跃。 本文的研究对飞行器转子的设计、故障诊断和在线检测均具有一定的指导意义。