航空发动机整体叶盘结构模态特性分析

1、研究背景与需求

    整体叶盘是把发动机转子的叶片和轮盘设计成一个整体,采用整体加工或焊接方法制造而成。现代航空发动机不仅需要向高性能、低重量发展，更要保证其设备的稳定性及安全性。共振是航空发动机整体叶盘在运行过程中需要避免的危险状态，这种现象会使叶盘振动幅值增大，导致结构发生破坏；故准确识别叶盘结构模态动力学参数，可为叶盘结构优化设计提供参考。

2、 试验系统

    基于锤击法模态测试方法，本次试验测试系统由INV9310小型力锤、INV9822型加速度传感器、INV3062S型智能采集仪、DASPV11工程版平台软件和模态分析软件以及计算机等设备组成。加速度传感器固定于整体叶盘表面，力锤和加速度传感器均通过信号线与采集仪相连，采集仪与安装有DASP测试软件的计算机相连。

3、试验关键点

    关键问题1：测点分布方案

    整体叶盘为对称结构，所选定测点的位置、数量及方向应能区分开分析带宽内不同阶次及其临近重根的振型。因此，选择合适的测点分布方案至关重要。

    解决方案：有限元仿真结果指导模态试验测点分布设计

    在开始模态测试前，首先进行有限元仿真的预试验分析，可为试验模态的激励点及响应点的位置和方向的优化，以及测点数量的确定提供参考，从而避免振型混淆。本试验模态测试对象整体叶盘，属于对称圆形结构，考虑到相同节径数与节圆数有重根模态，根据仿真模态振型结果考虑，将其周向40等分、径向10等分选取激励点，共选400个测点。

图1 有限元模型及实物图

图2 整体叶盘仿真振型图

关键问题2：力锤锤头选择

根据有限元分析结果显示，整体叶盘的模态频率范围在300-1700Hz，力锤锤头的选择决定了整个试验数据质量。

解决方案：根据力谱和频响函数选择合适的锤头

选择不同的锤头，决定力谱的带宽，一般来说，锤头越硬，激起的频率范围越宽，锤头越软，激起的频率范围越窄。但实际测试时，不能只参考不同锤头下的力谱，还要参考预实验数据的频响函数及相干，看关心频带范围内的是否有效的激励起关心的固有频率，以及相干系数的好坏。本次试验使用的INV9310型力锤提供四种不同硬度的锤头：橡胶头、尼龙头、铝头和钢头。根据有限元结果及各锤头力谱和预实验频响函数的综合表现，综合考虑下选择铝头进行本次试验。

图3 不同锤头力谱示意

图4 预实验频响函数示意图

图5 INV9310力锤技术指标

    关键问题3：对称称结果结构模态参数的准确识别

 由于整体叶盘结构对称性强，必然存在重根和密集模态，如何准确识别且不丢失模态参数至关重要。

解决方案：采用DASP模态软件提供的MIMO参数识别算法

本次试验模态数据分析采用了多种模态拟合综合分析和相互校验的方法，以甄选出准确的模态参数。且使用了CMIF（复模态指示函数）与MMIF（多变量复模态指示函数）准确识别密集模态与重根模态

图6 CMIF复模态指示函数

图7 MMIF多变量复模态指示函数

图8 整体叶盘试验模态分析结果

4、结论

本试验基于锤击脉冲激振法建立了整体叶盘模态测试分析系统，结合有限元预分析和试验模态分析方法，成功获取了整体叶盘的真实模态特性参数。表1给出有限元模态分析与试验模态分析固有频率误差，由计算结果可看出，相同阶次模态频率误差较小，均不超过5%,在误差允许范围之内。说明测得整体叶盘固有频率数据的准确性，也验证了模型的正确性

表1 仿真与试验结果对比误差

参考文献：

赵宇，栾孝驰，沙云东，等.整体叶盘结构模态特性分析及应力分布规律【J】. 科学技术与工程，2022，22(30)：13537-13547.