带气膜阻尼平板的振动试验研究

杨竹安 崔东泽 王小峰

关键词：叶片振动;气膜阻尼;开放式;振动特性;试验研究

1概述

航空发动机振动问题是发动机疲劳损伤故障的常见原因，由振动引起的故障占发动机总故障的60%以上，而叶片振动引起的故障又占总振动故障的70%以上。为此，必须进行叶片减振设计，以解决航空发动机的振动疲劳损伤问题，从而有效延长航空发动机的维修周期，降低航空发动机的维护成本。气膜阻尼结构简单、易于加工、且能够对多阶振动进行有效抑制，在航空发动机叶片抑振方面具有较广阔的应用前景。

本文建立带气膜阻尼结构的平板模型，采用非接触式激光测振系统进行振动试验，通过分析气膜阻尼结构的抑振性能，获得了气膜阻尼参数对其抑振效果的影响规律，为气膜阻尼技术在航空发动机上的应用提供参考依据。

2带气膜阻尼平板结构

在进行振动分析时，带气膜阻尼结构的航空发动机叶片可简化为带气膜阻尼结构的悬臂平板模型，其结构如图1所示。在平板上覆盖一吸振薄板，在平板与吸振薄板之间形成一个很薄的气膜，当平板受到外部激励产生振动时，会带动覆盖的吸振薄板振动。二者会挤压气膜内的空气快速运动，由于空气为黏性流体，通过惯性运动和黏性耗散振动能量，从而产生阻尼效应。

3试验设计

3.1试验目的

针对带气膜阻尼结构的平板模型开展试验研究，分析气膜阻尼结构的抑振效果和影响因素。

3.2试验设备

带气膜平板尺寸参考文献[8]的结构尺寸数据，材料为TC4，设计不同安装位置和不同结构尺寸的带气膜阻尼平板模型。

采用RC-3000振动测试系统为试验平台，通过非接触式激光测振系统测量并记录平板的振动响应，如图2所示。采用铝合金板状夹具进行夹持，为保证测量精度，铝合金板状夹具的共振频率远大于待测平板的共振频率。

4试验结果分析

4.1气膜阻尼抑振性能分析

图3为实心平板与带气膜阻尼平板振动性能比较。图中，实心平板的第1阶固有频率为60Hz左右，第2阶固有频率为380Hz左右。

由图可知，气膜阻尼对平板的各阶振动均有较好的抑制效果。带气膜阻尼平板的共振振频率相比于实心平板发生了后移;对比图3（a）（b）：平板振幅越大，气膜阻尼的抑振性能就越强。

4.2安装位置对平板抑振效果的影响

图4（a）为不同安装位置的带气膜阻尼平板，图4（h）为激振加速度20m/s2时，气膜安装位置对平板振动的计算结果。

由图4（b）可知，气膜安装在不同位置，均能有效地抑制平板振动。由于实心平板自由端的振幅最大，当气膜安装在靠近平板自由端处，其抑振效果最好。此外，气膜阻尼也表现出半主动抑振的性能，即平板振动越剧烈，抑振效果越好。带气膜阻尼安装位置离平板自由端越远，带气膜阻尼平板1阶共振频率越高。

在平板相同位置安装不同长度的气膜，由图5可知，气膜长度为80mm时，其抑振效果最为明显，因此，气膜存在最优长度，超过或小于该长度都会降低气膜阻尼的抑振效果。此外，气膜长度越长，其1阶共振频率后移现象越明显。

4.4气膜厚度對平板抑振效果的影响

采用文献[11]中的简化模型推导得出的能量耗散方程，与本文的试验的数据进行对比分析，得到标准大气压下阻尼比与气膜厚度的关系图6所示。

在气膜厚度为0. 2mm到0.8mm范围内，试验结果与理论结果较为吻合。当气膜厚度为0. 2mm时，阻尼比与气膜厚度的平方成反比。

采用Levenberg-Marquarch算法对图（8）数据进行非线性拟合，发现阻尼比与气膜厚度符合负的幂指数（Allometric-1）模型：

a、b均为常数，其中a在理论分析与试验分析中差异不大。而幂指数b则有较大不同，理论分析中为2.4，试验分析中为1.9。这一差异是因为：理论分析得出的是理想条件下的阻尼比，试验的影响因素较多会产生一定误差。

5结论

通过对带气膜阻尼结构的平板的试验研究，得到如下结论：

（1）气膜阻尼对平板的各阶振动均有良好的抑制效果。同时也表现出半主动抑振特性，即：平板振动越剧烈，气膜阻尼的抑振作用越明显。

（2）对于带气膜阻尼的平板，气膜的结构参数如长度、厚度、安装位置以及平板的振动频率都会影响气膜阻尼的抑振效果。在实际应用时，可结合实际工况选择气膜的结构参数以及安装位置，可得到最优的抑振效果。

（3）通过试验数据分析，阻尼比与气膜厚度符合负的幂指数模型。

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