转子系统和机匣系统的模态分析南京航空航天大学.docx

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转子系统和机匣系统的模态分析南京航空航天大学

编号

南京航空航天大学

毕业设计

题目

航空发动机转子实验器实验模态分析

学生姓名

韦汉桂

学号

070730217

学院

民航学院

专业

民航机务工程

班级

070730217

指导教师

陈果教授

二〇一一年六月

南京航空航天大学

本科毕业设计（论文）诚信承诺书

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）（题目：

）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。

尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

作者签名：

年月日

（学号）：

航空发动机转子实验器实验模态分析

摘要

航空发动机是一种高速旋转的机械，其可靠性不仅直接影响到飞机的飞行安全，而且可以保障发动机台架试车的安全运行。

因此，对航空发动机或其重要部件进行状态监测和故障诊断愈发重要，已经成为了目前国内外十分关注的一个研究热点。

对航空发动机转子进行振动测量，准确掌握发动机的振动状态和振动特征，是判定发动机工作状态和进行故障诊断的重要手段。

而实验模态分析作为验证动力学建模的有效手段，在研究结构动力特性实验中得到了广泛的应用。

本文详细阐述了某型号航空发动机转子实验器的试验研究，利用振动测试与频谱分析并结合理论分析提取出转子振动状态、转子振动特征和转子振动模型等一系列研究结果。

在转子实验器实验模态分析中，利用锤击法和正弦扫描法以及通过改变悬挂点、激励点和测试点来作为实验变量，结合实验结果对转子振动模型的综合对比和分析，得出航空发动机转子系统的振动规律。

利用ANSYS软件对该航空发动机转子实验器的动力学特性的计算与振动信号分析，对试验结果进行了验证分析。

为建立航空发动机转子振动特性数据库奠定了重要基础，为进一步开展发动机试车状态监测与故障诊断提供了科学依据。

关键词：

航空发动机；转子实验器；实验模态分析；振动特征；固有振动特性

AircraftEngineRotorExperimentalModalAnalysisexperimentaldevice

Abstract

Aircraftengineisahighspeedrotatingmachinery,notonlydirectlyaffectsthereliabilityofaircraftflightsafety,butalsoprotectthesafetyoftheenginetestbedoperation.Therefore,theimportantcomponentsoraircraftengineconditionmonitoringandfaultdiagnosisbecomemoreimportantathomeandabroadhasbecomeahotresearchtopicofgreatconcern.

Ofaero-enginerotorvibrationmeasurements,accurateknowledgeofenginevibrationandvibrationcharacteristics,istodeterminetheengineofthestateandanimportanttoolforfaultdiagnosis.Theexperimentalmodalanalysisasaneffectivemeanstoverifythedynamicmodeling,dynamiccharacteristicsinthestudyexperimentshavebeenwidelyused.ThispaperdescribestheexperimentofamodelaeroenginerotorTestandresearch,theuseofvibrationtestingandanalysisandtheoreticalanalysisofthespectrumtoextracttherotorvibration,rotorvibrationcharacteristicsandtherotorvibrationmodelandaseriesoffindings.Experimentaldevicesintherotorexperimentalmodalanalysis,theuseofhammerandsinusoidalscanningmethodandbychangingthesuspensionpoints,drivingpointandtestingpointsastheexperimentalvariables,combinedwithresultsofthemodelrotorvibrationcomprehensivecomparisonandanalysis,airVibrationoftheenginerotorsystem.

UsingANSYSsoftware,theaero-enginerotordynamiccharacteristicsofexperimentaldevicesandthecalculationofvibrationsignalanalysis,analysisoftestresultsareverified.Fortheestablishmentofaircraftenginerotorvibrationcharacteristicsofthedatabasehaslaidanimportantfoundationforthefurtherdevelopmentoftheengineconditionmonitoringandfaultdiagnosistesttoprovideascientificbasis.

Keywords:

Aircraftengine;Rotortestdevice;Experimentalmodalanalysis;Vibrationcharacteristics;Naturalvibrationcharacteristics

目录

摘要i

Abstractii

第一章绪论-1-

1.1引言-1-

1.2研究背景-1-

1.3国内外研究现状-2-

1.4本文的研究内容-4-

第二章模态分析理论-6-

2.1实验设备-6-

2.2模态分析原理-8-

2.2.1概述-9-

2.2.2研究意义-9-

2.2.3分析方法-10-

2.2.4分析内容-11-

2.2.5模态分析与有限元分析-12-

第三章转子系统和机匣系统的模态分析-13-

3.1实验机理-13-

3.2实验装置和仪器-13-

3.3实验过程-14-

3.3.1转子系统的模态实验-14-

3.3.2机匣系统的模态实验-16-

3.4实验结果分析-19-

第四章基于锤击法的航空发动机转子试验器整机模态分析-20-

4.1实验机理-20-

4.2实验仪器-20-

4.3实验过程-20-

4.4实验结果分析-22-

第五章基于正弦扫描法的航空发动机转子试验器整机模态分析-23-

5.1正弦扫描法机理-23-

5.2实验仪器-23-

5.3实验过程-24-

5.4实验结果分析-25-

第六章总结-28-

6.1工作总计-28-

6.2发展与展望-28-

参考文献-29-

致谢-30-

第一章绪论

1.1引言

在航空发动机中，由于材料性质和机械结构的因素，使得转子发生塑性或弹性振动，具体表现在回转轴的恒定转速（平均转速）上叠加一个随机波动的转速，因此产生振动力矩[1]。

对于高速回转的航空发动机转子，这种振动力矩的破坏性很强，极易引起航空发动机结构件的疲劳断裂和结构松散，尤其是当振动频率接近机械结构的固有频率（共振频率）时，这种破坏性更强，是引起航空事故的元凶，而且这种扭转振动在初期不易被普通的仪器检测（因为转速的波动相对于平均转速是一个微量），如果不及时发现，将无法避免航空事故的发生[2]。

因此，如何将发动机发生的故障消除在萌芽状态，对于保障航空飞机的安全可靠运行具有重大的意义。

众所周知，对于航空发动机运行状态监测和评估主要依赖于其气动热力参数及振动参数。

振动参数可以分为发动机动态运行时转子回转引起的振动和发动机静态停止时人为输入激振引起的转子的振动，而后者的振动参数监测具有快速、直接、敏感的特点倍受重视[3]。

在发动机转子状态发生变化初期，采集的振动信号其信噪比低，易于分析和处理。

为了更好的了解转子机械结构动态特性，我们引入了模态分析的方法，即利用锤击法和正弦扫描法实现航空发动机转子试验器的实验模态分析。

通过试验获得的模态参数（即转子的固有振动特性或故障振动特性）进行分析和对比，并得出转子的机械结构动态特性，从而对机械结构设计和结构修改及其故障维修都起着重要作用[4]。

1.2研究背景

随着现代航空事业的发展，飞行器的安全性和可靠性越来越引起人们的重视，特别是民用客机，世界航空史上的许多惨痛教训提醒人们，一旦发生故障，轻则影响飞机的性能，重则机毁人亡，后果不堪设想。

作为现代飞行器的心脏，航空发动机因其结构极其复杂，又工作在高速、高温和重载的恶劣环境下，比较容易发生各种故障。

几十年的经验己经证明发动机的状态监测与故障诊断对军用和民用等各型号飞机的飞行安全、发动机的可靠性和飞机运行成本等有着重大影响，因此发展发动机准确、快速的诊断方法十分必要。

发动机的有些故障容易监测、诊断和预防，而有些故障不易发现和预防，特别是那些灾难性和突发性故障更引起了人们的特别重视。

因此，如何在故障发生之前或发生早期，就能及时捕捉故障信息，并采取有效措施防止故障扩展或发生，对于杜绝和消除恶性事故隐患，减少或避免一般故障发生更具有特别重要的意义。

鉴于航空发动机试车时的复杂环境，通常采用模型试验器进行故障现象模拟或再现。

航空发动机转子试验器是由沈阳发动机研究所自主设计开发的模拟研究涡喷、涡扇航空发动机一些机械故障和特定现象的试验器[5]。

该试验器可以模拟再现航空发动机试车中可能出现的某些机械故障和现象，通过使用ANSYS软件和诊断分析技术对该型航空发动机带机匣转子试验器故障现象进行振动特性计算和试验分析，找出该故障和现象对应的特征。

利用这些特征，为发动机试车监测过程中识别不正常工作状态时可能产生的故障和现象找出相应的原因提供理论依据，同时对发动机工作状态进行有效监测，为保障试车的安全提供重要的依据[6]。

1.3国内外研究现状

模态分析与参数辨识作为结构动力学中的一种逆问题分析方法并在工程实践中应用是从60年代中、后期开始，至今已有近四十年的历史了。

这一技术首先在航空、宇航及汽车工业中开始发展。

由于电子技术、信号处理技术与设备的发展，到80年代末这项技术已成为