基于多坐标系的多转子-机匣时变系统3-D有限元建模及降维分析

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51905025
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    27.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0503.机械动力学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Aeroengine is a complex structural system with coupling vibration of rotor and thin-walled flexible casing. It is difficult to find the exactly reason of the whole engine vibration fault. Moreover, with the adoption of integral blade disc and "bending, sweeping and twisting" fan blades, the non-axisymmetry of the rotor becomes prominent. Meanwhile, the asymmetry of thin-walled casing and its constraints makes the relative spatial position and phase of the asymmetric characteristics change with time, which inevitably leads to time-varying characteristics. The establishment of the refined model based on 3-D finite element has been paid attention to, but the key problem is that it is difficult to express the time-varying characteristics of the system and the degree of freedom of the model is too large. Therefore, a modeling method is proposed by using 3-D finite element for multi-rotor-case time-varying system based on multi-coordinate system. The rotor is modeled in rotating coordinate system and the casing is modeled in fixed coordinate system respectively. The time-varying characteristics of the system are simulated only by bearing mechanical parameters which are easy to be expressed explicitly. A 3-D finite element model reduction method in multi-coordinate system is proposed to solve the reduction problem of rotating-stationary multi-coordinate model. The proposed method is used to analyze the coupled blade-disk-shaft-casing vibration characteristics of a dual-rotor aeroengine, and the application validation is completed by measuring the typical vibration characteristics of the electric drive test rig of a vacuum-pumped aeroengine. The work will provide an effective method for 3-D finite element modeling and dimensionality analysis of aero-engine.
航空发动机整机是(多)转子、薄壁柔性机匣振动相互耦合的复杂机械系统,其振动故障定因、定位困难。整体叶盘、“弯掠扭”风扇叶片等先进结构件的采用,使转子的非轴对称性凸显,与机匣结构及其约束非对称的相对空间位置和相位不可避免产生时变特性。基于3-D有限元建立整机精细化模型已受到重视,但关键需解决系统时变特性难以显式表达及模型自由度太大的问题。为此,提出基于多坐标系的多转子-机匣时变系统3-D有限元模拟方法,转子在旋转坐标系、机匣在固定坐标系分别建模,系统时变特性仅由易于显式表达的轴承力学参数模拟;提出多坐标系下3-D有限元模型降维方法,解决旋转-固定多坐标系下转子与机匣自由度联合降维问题。利用所提方法对某双转子航空发动机叶片-盘-轴-机匣耦合振动特性进行分析,通过整机抽真空电驱试验台实测典型振动特征完成应用性验证。为航空发动机整机3-D有限元建模及降维分析提供一套有效方法。

结项摘要

航空发动机的发展对推重比、经济性及可靠性要求越来越高,整体叶盘、“弯掠扭”风扇叶片等先进结构件的采用,使转子的非轴对称因素凸显,对具有精细结构特征的转子-机匣时变系统动力特性分析需求也不断提高,为满足航空发动机多转子-薄壁柔性机匣系统及各部件耦合振动机理分析,以典型双转子-机匣时变系统为研究对象,开展了系统深入的研究:首先,提出了基于多坐标系多转子-机匣时变系统 3-D 有限元建模方法,从能量角度出发,解决了不同坐标系连接位置处力与位移的变换关系及其参数化模拟的关键问题,进行了基于旋转-固定多坐标系动力方程的推导与分析方法的研究,研究并完成了基于Hill无穷行列式的多坐标系时变系统模态特性分析方法和基于Floquet理论以及谐波平衡的多坐标系时变系统稳态响应分析方法;其次,采用典型实例对所提模态特性分析方法,稳态响应特性分析方法的有效性进行了验证,阐释了多坐标系求解结果的物理意义;进而,在多坐标系建模方法研究的基础上,建立某型航空发动机整机动力学模型,利用广义固定界面模态综合法生成该发动机双转子-机匣系统降维模型,通过试验与仿真分析比较,完成了发动机关键部件模型修正,分析了典型发动机整机系统稳态响应特性;最后,通过航空发动机系统试验模态分析,探索完成了典型航空发动机双转子-机匣整机装配状态下模型准确性和主要的模态特性准确性验证,开展探索并初步完成了发动机实际运行工况下典型振动特征试验验证。.本项目的研究可为航空发动机多转子-薄壁柔性机匣总体及各部件耦合振动机理分析、振动故障溯源定位诊断等提供方法基础。在本项目的支持下已发表录用论文10篇,其中SCI期刊论文2篇,EI期刊论文8篇,中国科技期刊卓越行动计划期刊论文5篇。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A double integral method for quantitative evaluation of influence on thin-walled casing response caused by bearing uncertainties
定量评价轴承不确定性对薄壁套管响应影响的二重积分法
  • DOI:
    10.1016/j.cja.2019.11.014
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Chinese Journal of Aeronautics
  • 影响因子:
    5.7
  • 作者:
    Geng Binbin;Zuo Yanfei;Jiang Zhinong;Feng Kun;Wang Chen;Wang Jie
  • 通讯作者:
    Wang Jie
基于多体接触瞬态动力学不对中故障模拟及试验验证
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    机械工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    左彦飞;李宁;马波;史守州;冯坤
  • 通讯作者:
    冯坤
Virtual prototype modeling and simulation of rigid rotor system supported by active magnetic bearings in Simscape
Simscape 主动磁力轴承支持的刚性转子系统虚拟样机建模与仿真
  • DOI:
    10.1007/s12008-022-01194-4
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Jinchang Han;Lin He;Yanfei Zuo;Yan Li;Feng Xiong
  • 通讯作者:
    Feng Xiong
周期性碰摩激励作用下薄壁机匣支撑系统响应机理
  • DOI:
    10.13224/j.cnki.jasp.2021.01.019
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    航空动力学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    韩金昌;左彦飞;冯坤
  • 通讯作者:
    冯坤
温致材料属性变化对发动机双转子系统动力特性的影响研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    航空学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    左彦飞;吴易柳;王杰;冯坤;江志农
  • 通讯作者:
    江志农

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其他文献

支承非对称对双转子系统动力特性的影响规律
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    振动与冲击
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王杰;左彦飞;江志农;冯坤;胡明辉;张文海
  • 通讯作者:
    张文海
薄壁机匣发动机轴承位置不平衡响应矢量逆推方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    振动与冲击
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    冯坤;朱振桥;左彦飞;王辰;胡明辉;耿斌斌
  • 通讯作者:
    耿斌斌
基于显式有限元的转子不平衡与轴承故障耦合分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    轴承
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨子臻;左彦飞;邵化金;冯坤
  • 通讯作者:
    冯坤
轴承周期冲击激励下发动机薄壁支承结构响应机理研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    振动与冲击
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    耿斌斌;左彦飞;王辰;江志农;胡明辉;贺雅
  • 通讯作者:
    贺雅

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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