帶氣膜阻尼平板的振動試驗研究

楊竹安 崔東澤 王小峰

關鍵詞：葉片振動;氣膜阻尼;開放式;振動特性;試驗研究

1概述

航空發(fā)動機振動問題是發(fā)動機疲勞損傷故障的常見原因，由振動引起的故障占發(fā)動機總故障的60%以上，而葉片振動引起的故障又占總振動故障的70%以上。為此，必須進行葉片減振設計，以解決航空發(fā)動機的振動疲勞損傷問題，從而有效延長航空發(fā)動機的維修周期，降低航空發(fā)動機的維護成本。氣膜阻尼結構簡單、易于加工、且能夠?qū)Χ嚯A振動進行有效抑制，在航空發(fā)動機葉片抑振方面具有較廣闊的應用前景。

本文建立帶氣膜阻尼結構的平板模型，采用非接觸式激光測振系統(tǒng)進行振動試驗，通過分析氣膜阻尼結構的抑振性能，獲得了氣膜阻尼參數(shù)對其抑振效果的影響規(guī)律，為氣膜阻尼技術在航空發(fā)動機上的應用提供參考依據(jù)。

2帶氣膜阻尼平板結構

在進行振動分析時，帶氣膜阻尼結構的航空發(fā)動機葉片可簡化為帶氣膜阻尼結構的懸臂平板模型，其結構如圖1所示。在平板上覆蓋一吸振薄板，在平板與吸振薄板之間形成一個很薄的氣膜，當平板受到外部激勵產(chǎn)生振動時，會帶動覆蓋的吸振薄板振動。二者會擠壓氣膜內(nèi)的空氣快速運動，由于空氣為黏性流體，通過慣性運動和黏性耗散振動能量，從而產(chǎn)生阻尼效應。

3試驗設計

3.1試驗目的

針對帶氣膜阻尼結構的平板模型開展試驗研究，分析氣膜阻尼結構的抑振效果和影響因素。

3.2試驗設備

帶氣膜平板尺寸參考文獻[8]的結構尺寸數(shù)據(jù)，材料為TC4，設計不同安裝位置和不同結構尺寸的帶氣膜阻尼平板模型。

采用RC-3000振動測試系統(tǒng)為試驗平臺，通過非接觸式激光測振系統(tǒng)測量并記錄平板的振動響應，如圖2所示。采用鋁合金板狀夾具進行夾持，為保證測量精度，鋁合金板狀夾具的共振頻率遠大于待測平板的共振頻率。

4試驗結果分析

4.1氣膜阻尼抑振性能分析

圖3為實心平板與帶氣膜阻尼平板振動性能比較。圖中，實心平板的第1階固有頻率為60Hz左右，第2階固有頻率為380Hz左右。

由圖可知，氣膜阻尼對平板的各階振動均有較好的抑制效果。帶氣膜阻尼平板的共振振頻率相比于實心平板發(fā)生了后移;對比圖3（a）（b）：平板振幅越大，氣膜阻尼的抑振性能就越強。

4.2安裝位置對平板抑振效果的影響

圖4（a）為不同安裝位置的帶氣膜阻尼平板，圖4（h）為激振加速度20m/s2時，氣膜安裝位置對平板振動的計算結果。

由圖4（b）可知，氣膜安裝在不同位置，均能有效地抑制平板振動。由于實心平板自由端的振幅最大，當氣膜安裝在靠近平板自由端處，其抑振效果最好。此外，氣膜阻尼也表現(xiàn)出半主動抑振的性能，即平板振動越劇烈，抑振效果越好。帶氣膜阻尼安裝位置離平板自由端越遠，帶氣膜阻尼平板1階共振頻率越高。

在平板相同位置安裝不同長度的氣膜，由圖5可知，氣膜長度為80mm時，其抑振效果最為明顯，因此，氣膜存在最優(yōu)長度，超過或小于該長度都會降低氣膜阻尼的抑振效果。此外，氣膜長度越長，其1階共振頻率后移現(xiàn)象越明顯。

4.4氣膜厚度對平板抑振效果的影響

采用文獻[11]中的簡化模型推導得出的能量耗散方程，與本文的試驗的數(shù)據(jù)進行對比分析，得到標準大氣壓下阻尼比與氣膜厚度的關系圖6所示。

在氣膜厚度為0. 2mm到0.8mm范圍內(nèi)，試驗結果與理論結果較為吻合。當氣膜厚度為0. 2mm時，阻尼比與氣膜厚度的平方成反比。

采用Levenberg-Marquarch算法對圖（8）數(shù)據(jù)進行非線性擬合，發(fā)現(xiàn)阻尼比與氣膜厚度符合負的冪指數(shù)（Allometric-1）模型：

a、b均為常數(shù)，其中a在理論分析與試驗分析中差異不大。而冪指數(shù)b則有較大不同，理論分析中為2.4，試驗分析中為1.9。這一差異是因為：理論分析得出的是理想條件下的阻尼比，試驗的影響因素較多會產(chǎn)生一定誤差。

5結論

通過對帶氣膜阻尼結構的平板的試驗研究，得到如下結論：

（1）氣膜阻尼對平板的各階振動均有良好的抑制效果。同時也表現(xiàn)出半主動抑振特性，即：平板振動越劇烈，氣膜阻尼的抑振作用越明顯。

（2）對于帶氣膜阻尼的平板，氣膜的結構參數(shù)如長度、厚度、安裝位置以及平板的振動頻率都會影響氣膜阻尼的抑振效果。在實際應用時，可結合實際工況選擇氣膜的結構參數(shù)以及安裝位置，可得到最優(yōu)的抑振效果。

（3）通過試驗數(shù)據(jù)分析，阻尼比與氣膜厚度符合負的冪指數(shù)模型。

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