基于微滑移模型的B－G 型葉片干摩擦緣板阻尼器減振特性研究

何尚文，任興民，秦衛(wèi)陽(yáng)，鄧旺群

(1.西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院工程力學(xué)系，西安 710072;2.中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002)

由于附加干摩擦阻尼器可以有效降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片振動(dòng)，葉片附加緣板阻尼器得到了廣泛應(yīng)用，其減振特性的研究具有很重要的理論與實(shí)際意義。

干摩擦接觸一般為復(fù)雜非線性接觸，建立準(zhǔn)確模擬干摩擦接觸的摩擦模型對(duì)緣板阻尼器振動(dòng)問(wèn)題的研究十分關(guān)鍵。為了解決正壓力較大時(shí)整體滑動(dòng)模型的局限性，準(zhǔn)確描述接觸面上應(yīng)力的不均勻分布，Iwan［1］提出了彈簧并聯(lián)/串聯(lián)模型;Menq［2］對(duì)接觸面微滑移進(jìn)行了研究，但計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮系統(tǒng)振動(dòng)可能在完全粘滯階段穩(wěn)態(tài)的情況;漆文凱等［3］做了重要工作，提出了一種不考慮摩擦面間完全粘滯階段的解析微滑移模型，得到了廣泛應(yīng)用。本文通過(guò)在接觸面間引入彈性剪切層來(lái)模擬干摩擦接觸，考慮系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)摩擦接觸面間可能經(jīng)歷完全粘滯、局部滑移、完全滑移三個(gè)階段，建立了一種更加貼近工程實(shí)際的微滑移模型，用于緣板阻尼器高頻及大正壓力下的振動(dòng)及減振特性分析。根據(jù)建立的摩擦模型，對(duì)摩擦力－位移遲滯曲線及不同外力作用下接觸面上的摩擦分布進(jìn)行了仿真，論證了摩擦面微滑移機(jī)理;將工程中的B－G型(葉片－基礎(chǔ)型)緣板干摩擦阻尼器模型?；癁橘|(zhì)量－彈簧系統(tǒng)，利用一次諧波平衡和等效線性化［4－5］相結(jié)合迭代求解，對(duì)B－G型阻尼器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究，揭示了干摩擦減振的本質(zhì)(阻尼和剛度作用)。

1 微滑移模型及相關(guān)仿真

1.1 微滑移模型

假設(shè)接觸面間有一個(gè)彈性剪切層，摩擦接觸面間將經(jīng)歷完全粘滯、局部滑移、完全滑移三個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 接觸面及彈性剪切層Fig.1 Contact area and elastoplastic shear layer

其中τ為接觸面上每單位長(zhǎng)度的摩擦力，u為施加外力F后摩擦接觸面上點(diǎn)的位移，k為接觸面上單位長(zhǎng)度剛度，τm=μp，μ為動(dòng)滑動(dòng)摩擦因數(shù)，式(1)的物理意義為:當(dāng)接觸面上點(diǎn)位移(變形)小于μp/k，這些點(diǎn)將保持粘滯，當(dāng)?shù)扔诨虼笥讦蘰/k，這些點(diǎn)將要滑動(dòng)或處于滑動(dòng)狀態(tài)。在AB段剪切層任取一微元段分析:

圖2 微元分析Fig.2 Differential analysis

整理式(2)得式(3):

第一個(gè)階段:當(dāng)外力F從0開(kāi)始增加時(shí)，接觸面間只發(fā)生彈性變形，這時(shí)接觸面間處于完全粘滯階段(外力F和摩擦力f1相等)。由式(1)、式(3)可知:

式(4)需要滿足的邊界條件為:

則B端位移u(1)和外力F為:

第二個(gè)階段:當(dāng)F達(dá)到 λEAτmtanh(λ)/kl時(shí)，B點(diǎn)開(kāi)始滑動(dòng)，產(chǎn)生了滑動(dòng)區(qū)域。F繼續(xù)增大，從右到左滑動(dòng)區(qū)逐步增大，此時(shí)摩擦接觸面左邊為粘滯區(qū)域，長(zhǎng)度為(1－Δ)l，每單位長(zhǎng)度上的摩擦力為ku;右邊為滑動(dòng)區(qū)域，長(zhǎng)度為Δl，每單位長(zhǎng)度上的摩擦力為τm，如圖3(此階段外力F和摩擦力f1相等):

圖3 局部滑移Fig.3 Partial slip

此時(shí)摩擦接觸面上滿足:

方程(9)滿足的邊界條件為:

由式(9)、式(10)可解得:

第三個(gè)階段:F繼續(xù)增大，當(dāng)Δ=1;F=τml時(shí)，滑動(dòng)區(qū)域擴(kuò)展到左端A點(diǎn)，系統(tǒng)達(dá)到臨界滑動(dòng)(臨界位移值u0由式(11)上，令Δ=1可得)，隨后系統(tǒng)開(kāi)始整體滑移，接觸面上摩擦力將符合τ=τm，這時(shí)動(dòng)滑動(dòng)摩擦力為 f=μpl。

反復(fù)的卸載和重復(fù)加載過(guò)程:為了建立一個(gè)振動(dòng)周期的摩擦力－位移穩(wěn)態(tài)遲滯曲線，需要研究卸載和重新加載。Masing Rule［6］(曼辛規(guī)則)指出材料在卸載和再加載過(guò)程中力和位移(變形)符合這樣的關(guān)系式:

其中上式為初始加載時(shí)力與位移(變形)的函數(shù)關(guān)系，xz、Fz分別為卸載或加載過(guò)程中轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位移(變形)和力。一般研究中，外激勵(lì)均為簡(jiǎn)諧激勵(lì)即對(duì)稱荷載，局部滑移的遲滯曲線是關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱的。在系統(tǒng)達(dá)到臨界滑移前任意一點(diǎn)卸載，然后再反復(fù)加載卸載，可得穩(wěn)態(tài)時(shí)摩擦力f1和B端位移u(1)的遲滯曲線如圖4(包含局部滑移、臨界滑移、整體滑移三種情況)。

另外，當(dāng)正壓力非常大的情況下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)幅值會(huì)小于τm/k，即系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)在完全粘滯階段，這時(shí)摩擦力－位移函數(shù)為 f=λEAu(1)tanh(λ)/l;(u(1)≤τm/k)，摩擦力在圖中實(shí)線范圍內(nèi)循環(huán)，附加阻尼器只體現(xiàn)剛度作用，如圖5。

圖4 摩擦力－B端位移遲滯曲線Fig.4 Steady hysteretic curve of dry friction-displacement

圖5 摩擦力－B端位移線性關(guān)系Fig.5 Linear relation of dry friction-displacement

1.2 仿真

給定l=0.02 m，EA=4 000 000 N·m，μ=0.3，k=1×1011N/m2，p=20 000 N/m，μ為動(dòng)滑動(dòng)摩擦因數(shù)，正壓力為N=pl=400 N。仿真得摩擦力－位移遲滯曲線如圖6、圖7。

圖6 臨界狀態(tài)(從臨界位移卸載)遲滯曲線Fig.6 Hysteretic curve of critical state

圖7 局部滑動(dòng)時(shí)遲滯曲線Fig.7 Hysteretic curve of partial slip

圖8 完全粘滯時(shí)剪切層內(nèi)摩擦力的分布狀態(tài)Fig.8 Distribution of dry friction within shear layer during viscous stage

圖9 局部滑移時(shí)剪切層內(nèi)摩擦力的分布狀態(tài)Fig.9 Distribution of dry friction within shear layer during partial slip

由式(8):外力 F 小于 τmλEAtanh(λ)/kl即37.811 6 N，摩擦界面處于完全粘滯階段;大于τmλEAtanh(λ)/kl小于 μN(yùn) 時(shí)處于局部滑移階段，圖8、圖9分別描述了發(fā)生完全粘滯和局部滑移時(shí)接觸面上摩擦力的分布情況。

2 B－G型緣板阻尼器減振特性分析

2.1 模型及分析方法

B－G型葉片緣板阻尼器結(jié)構(gòu)及其?；蟮馁|(zhì)量－彈簧模型如圖10。

圖10 B－G阻尼器結(jié)構(gòu)及其模化的質(zhì)量－彈簧模型Fig.10 B －G platform damper and its mass-spring model

由圖10可知，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為:

其中:m為質(zhì)量，y為振動(dòng)位移，ks為系統(tǒng)剛度，c為系統(tǒng)自帶粘性阻尼系數(shù)，f1為系統(tǒng)干摩擦力，值為摩擦力－位移遲滯曲線仿真結(jié)果中的離散數(shù)據(jù)，F(xiàn)0sin(ωt)為外激勵(lì)。Berthillier［7］認(rèn)為，當(dāng)摩擦界面連續(xù)不脫離時(shí)，一次諧波平衡法可以得到足夠精確的結(jié)果。對(duì)于方程(13)，采用一次諧波平衡和等效線性化相結(jié)合進(jìn)行求解，設(shè)其一次諧波穩(wěn)態(tài)解為y=Ysin(ωt+β)。Y為穩(wěn)態(tài)振幅值，u0為臨界位移，ke為等效剛度，ce為等效阻尼。將摩擦力看作一個(gè)復(fù)剛度彈簧，剛度為:ki=ke+iωce。

局部滑動(dòng)時(shí)，遲滯曲線面積即為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)一個(gè)周期內(nèi)阻尼力所作的功W，則有:

由于:

則:

整體滑動(dòng):

式(17)中第一個(gè)式子的分子為發(fā)生整體滑移時(shí)一個(gè)穩(wěn)態(tài)周期內(nèi)阻尼力所做的功(平行四邊形與臨界遲滯曲線面積之和)。

接觸面只發(fā)生彈性變形，即摩擦力關(guān)于位移為線性關(guān)系時(shí):

計(jì)算思路:先計(jì)算不加干摩擦阻尼器時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)幅值作為迭代初值，計(jì)算發(fā)生整體滑移的臨界位移值u0和發(fā)生局部滑移的位移值τm/k，比較迭代初值和u0的大小，若大于u0，則按整體－局部統(tǒng)一滑動(dòng)模型來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的等效剛度ke和等效阻尼ce;若介于兩者之間，則按局部滑動(dòng)來(lái)計(jì)算;若小于τm/k，則按線性摩擦力來(lái)計(jì)算。由振動(dòng)理論公式，下一個(gè)迭代步穩(wěn)態(tài)幅由穩(wěn)態(tài)幅值判斷滑動(dòng)狀態(tài)并計(jì)算ke和ce，再計(jì)算下一個(gè)迭代幅值，當(dāng)相鄰迭代步的穩(wěn)態(tài)幅值之差小于誤差限時(shí)認(rèn)為收斂，得到穩(wěn)態(tài)幅值(迭代計(jì)算中每步的穩(wěn)態(tài)幅值即為遲滯仿真中的B端位移u(1))。

2.2 仿真結(jié)果及分析

參考工程中的葉片阻尼系統(tǒng)參數(shù)，給定m=0.6 kg，ks=7.5×107N/m，F(xiàn)0=5 000 N，c=600 N·s/m。l=0.02 m，EA=4 000 000 N·m，k=1 ×1011N/m2，μ=0.3。先設(shè)定正壓力荷載集度p=20 000 N/m，正壓力N=pl=400 N;ω=8 000 rad/s，令 Y/u0為滑動(dòng)系數(shù)。則等效剛度ke和等效阻尼ce隨滑動(dòng)系數(shù)的變化規(guī)律如圖11、圖12。值為:

圖11 等效剛度隨滑動(dòng)系數(shù)的變化曲線Fig.11 ke－ Y/u0curve

圖12 等效阻尼隨滑動(dòng)系數(shù)的變化曲線Fig.12 ce－ Y/u0curve

由圖11、圖12知，在正壓力非常大時(shí)，Y很小，摩擦界面處于完全粘滯階段，ke最大且為一恒定值，此時(shí)ce為0(圖12未畫出此段)，阻尼器只體現(xiàn)剛度作用;Y逐步增大，從開(kāi)始局部滑動(dòng)，ke隨Y逐漸減小而ce則從0逐步增加，在整體滑動(dòng)階段的某個(gè)Y值，ce有最大值，Y繼續(xù)增大，ce從最大值逐步減小。需要注意的是，本文模型與不考慮完全粘滯階段的微滑移模型相比，更接近實(shí)際情況。當(dāng)正壓力非常大(即Y很小)時(shí)，不考慮完全粘滯會(huì)出現(xiàn)ke和ce趨近無(wú)窮大的現(xiàn)象，而采用本文模型時(shí)ke為一個(gè)穩(wěn)定值，此時(shí)阻尼器主要體現(xiàn)剛度作用，ce應(yīng)很小。

研究動(dòng)滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ對(duì)系統(tǒng)減振特性的影響。其它參數(shù)不變，μ 分別取 0.2、0.25、0.3、0.35、0.4，仿真結(jié)果如圖13。

圖13 不同摩擦系數(shù)下的幅頻(角頻率)曲線Fig.13 Y － ω curve under different μ

由圖13知，μ對(duì)系統(tǒng)共振頻率影響很小;對(duì)系統(tǒng)減振特性有明顯的影響，共振區(qū)及附近，μ越大，減振效果越好，向右遠(yuǎn)離共振區(qū)(將圖13角頻率大于16 000部分局部放大)，減振效果不隨μ增大而更好。

假定葉片工作頻率為3 000/π(Hz)，研究工作頻率下穩(wěn)態(tài)幅值隨正壓力的變化規(guī)律，仿真結(jié)果如圖14。

圖14 不同外激勵(lì)下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)幅值－正壓力曲線Fig.14 Y － N curve with different F0

由圖14知，在工作頻率下外激勵(lì)一定時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)幅值隨正壓力增加而減小，正壓力增大到一定值后，減振效果基本不再改善，即存在一個(gè)正壓力范圍，在此范圍內(nèi)系統(tǒng)工作頻率下穩(wěn)態(tài)幅值減振效果最佳，且外激勵(lì)增大達(dá)到最佳減振效果需要的正壓力的取值也將增加，反之減小。

其它參數(shù)不變，研究外激勵(lì)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響，仿真結(jié)果如圖15。

圖15 不同外激勵(lì)下系統(tǒng)的幅頻曲線Fig.15 Y － ω curve with different F0

由圖15知，當(dāng)外激勵(lì)增加時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)了剛度軟化，即外激勵(lì)增加導(dǎo)致阻尼器剛度效果減弱從而使系統(tǒng)共振頻率減小，反之增加。

其它參數(shù)不變，研究正壓力變化對(duì)葉片系統(tǒng)振動(dòng)及減振特性的影響，仿真結(jié)果如圖16。

圖16 不同正壓力下的幅頻曲線Fig.16 Y － ω curve with different normal force

圖16中計(jì)算了五種正壓力和正壓力非常大(摩擦力線性)共6種工況下的幅頻響應(yīng)。隨著正壓力增大，共振峰值先減小后增大，N=25 000 N時(shí)最小，說(shuō)明一定工況下存在一個(gè)最佳正壓力使得干摩擦阻尼系統(tǒng)共振峰值最小;同時(shí)隨著正壓力增大，系統(tǒng)共振頻率增加，增加到一定值后，由于阻尼器只體現(xiàn)剛度作用且剛度為恒定值，共振峰值頻率不變。

3 結(jié)論

(1)考慮摩擦接觸面間完全粘滯階段作用建立的微滑移模型更符合工程實(shí)際，改進(jìn)了微滑移模型。分析結(jié)果表明阻尼器對(duì)振動(dòng)的抑制主要體現(xiàn)為剛度和阻尼作用。正壓力較小或外激勵(lì)幅值較大時(shí)，阻尼和剛度作用均較弱;正壓力較大或外激勵(lì)幅值較小時(shí)，剛度作用明顯，阻尼作用不一定明顯;在整體滑移階段存在阻尼的最大值。

(2)動(dòng)滑動(dòng)摩擦系數(shù)對(duì)共振峰值頻率基本無(wú)影響，對(duì)共振區(qū)減振特性有明顯影響。

(3)一定頻率下，存在一個(gè)正壓力范圍使得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)幅值減振效果最好，超過(guò)這個(gè)范圍繼續(xù)增大正壓力對(duì)減振效果無(wú)明顯改善;外激勵(lì)增加，這個(gè)正壓力范圍取值也增加，反之減小。外激勵(lì)幅值增加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)剛度軟化，系統(tǒng)共振頻率減小;反之增加。

(4)其它參數(shù)一定時(shí)，存在一個(gè)最佳正壓力使系統(tǒng)共振幅值最小，系統(tǒng)共振頻率隨正壓力增加而增大，到一定值后不變。B－G型緣板阻尼器設(shè)計(jì)必須綜合考慮葉片共振峰值和工作頻率下穩(wěn)態(tài)幅值的減振效果。

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