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

航空發動機振動問題是發動機疲勞損傷故障的常見原因，由振動引起的故障占發動機總故障的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，以解決航空發動機的振動疲勞損傷問題，從而有效延長航空發動機的維修周期，降低航空發動機的維護成本。氣膜阻尼結構簡單、易于加工、且能夠對多階振動進行有效抑制，在航空發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對其抑振效果的影響規律，為氣膜阻尼技術在航空發動機上的應用提供參考依據。

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生振動時，會帶動覆蓋的吸振薄板振動。二者會擠壓氣膜內的空氣快速運動，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]的結構尺寸數據，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振動測試系統為試驗平臺，通過非接觸式激光測振系統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，與本文的試驗的數據進行對比分析，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，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）數據進行非線性擬合，發現阻尼比與氣膜厚度符合負的冪指數（Allometric-1）模型：

a、b均為常數，其中a在理論分析與試驗分析中差異不大。而冪指數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以及安裝位置，可得到最優的抑振效果。

（3）通過試驗數據分析，阻尼比與氣膜厚度符合負的冪指數模型。

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