Internal Combustion Engine & Parts• 13•
由于；黄文超；燕；苏尔敦
(中国飞机强度研究所，西安710065)
摘要：随着航空发动机高推重比和低耗油率要求的不断提高，结构愈加轻薄，叶盘耦合共振现象越加明显。本文从谐调叶盘 结构耦合共振研究现状出发，重点阐述了失谐叶盘结构振动模态局部化和振动响应局部化的国内外研究现状，并对叶盘结构失谐研 究的一些热点问题展开讨论，提出了研究的重难点问题，为后续开展航空发动机失谐叶盘结构耦合共振研究提供了必要的指导。
关键词院航空发动机；耦合共振；叶盘结构
0引言
叶片和作为航空发动机转子结构的两大核心部 件，主要承受着离心应力、热应力和振动应力等。目前，对于航空发动机叶盘结构，由振动问题导致的高周疲劳失效 是引起发动机故障的主要原因之一。据统计，由振动引起 的故障占发动机总故障的60%以上，而叶片故障又占振动 故障的70%以上[|]，特别是
由于叶盘系统的振动能量分布 不均所导致叶盘系统高周疲劳失效问题。因此，叶盘结构 的振动问题严重影响着航空发动机的结构强度和寿命。
由于早期的航空发动机设计较厚，故叶盘结构振 动分析往往忽略叶片与之间的耦合作用；近年来，随着发动机高推重比和低耗油率要求的不断提升，结构 愈加轻薄，叶盘耦合振动现象越加明显。因此，进行航空发 动机叶盘结构耦合振动分析是提高结构动态特性预测精 度和减少发动机故障的有效途径。trax
1谐调叶盘结构耦合共振研究
航空发动机叶盘结构通常被设计成循环对称，即“谐调 叶盘结构”，其振动模态和能量沿周向均匀地传递到整个结 构，而作用在叶片上的振动激励在一定频率范围内也会沿 圆周方向均匀地传递至整个叶盘结构。因此，可使用波传播 技术进行谐调叶盘结构的耦合共振分析，以便大幅度减少 结构系统的自由度。近年来，对谐调叶盘结构的耦合共振分 析研究主要集中在通过有限元法和子结构模态综合法对叶 盘耦合结构的动力学特性和动态响应特性研究和分析的基 础上，得到结构系统的共振转速图，即坎贝尔图，从而为发 动机故障诊断和可靠性分析提供参考依据。
2失谐叶盘结构耦合共振研究
凯迪拉克sls2.1振动局部化问题
航空发动机叶盘往往由于加工误差、材料分散性、结构 磨损的不均匀性以及为了拟制颤振而设计的叶片错频等因 素，导致实际叶盘结构在周向存在一定的不均匀性，此类结 构被称为“失谐叶盘结构”。失谐叶盘结构因为振动能量传 递的不均匀性，导致振动能量集中在某几个叶片处，造成振 动局部化问题，最终引起叶盘结构的高周疲劳失效。
振动局部化主要用来衡量失谐叶盘结构中振动能量 的集中程度。主要包括两方面研究：振动模态局部化和振 动响应局部化。
2.1.1 振动模态局部化
振动模态局部化是指失谐叶盘系统的振动模态振型
作者简介：由于（1989-)男，陕西蒲城人，工程师，硕士，主要从 事航空发动机结构强度分析与试验验证。不能广延到整个结构，而是集中在少数的几个叶片上，使 少数叶片的振幅增大。其研究内容主要包括模态振型和频 率转向特征以及模态局部化程度描述和表征。1973年，Ewins在对失谐叶盘系统的振动特性进行研究时首先发 现了模态局部化现象。1993年Ottarsson和Pierre利用传 递矩阵法得到了两种极限失谐灵敏度下的模态局部化计 算公式。王建军等提出了可用于评价失谐叶盘结构模态局 部化的定量描述方法和定量描述因子。
2.1.2振动响应局部化
振动响应局部化是指作用于叶盘结构的外界激励产 生的振动能量不能均匀传递至整个叶盘结构，而是被拟制 在某一个或者几个叶片上，从而导致应力在结构中的局部 区域集中，最终引起结构的高周疲劳失效。振动响应局部 化的研究内容主要包括结构振动响应的最大振幅，振动响 应局部化程度描述等。1990年，W ei和Pierre分析了不同 结构参数对振动响应特性的影响规律。
2.1.3失谐优化研究
目前，对于失谐叶盘结构的优化研究主要涉及两方 面：一是进行各叶片间失谐的最好和最坏失谐模式的研 究；二是采取主动失谐形式设计来最大限度地降低叶盘结 构对随机失谐的敏感性。建立精确的缩减模型并选取合适 的优化算法是失谐优化研究的重点方向。
Nissim和Hsftka开展了最优和最坏失谐模式的研究，结果表明，最优失谐模式能够最大程度地降低叶片强迫振 动响应幅值。余仕侠基于减缩模型利用智能优化算法对失 谐叶片的排布顺序进行优化，并获得一组既定失谐叶片的 位置排序使得振动响应局部化最优。
2.2研究热点问题
2.2.1非线性问题研究
失谐叶盘结构局部化研究中存在着多种形式的非线 性问题。例如：接触摩擦、裂纹以及气动阻尼等等。
针对非 线性分析的复杂性，较多地采用集中参数模型或连续参数 模型进行非线性失谐机理的研究。余仕侠和王艾伦分别建 立了一种考虑非线性摩擦阻尼的叶盘系统动力学模型，并研究了粘性系数和非线性摩擦强度等系统参数对叶盘系 统受迫响应的影响规律。王艾伦揭示了呼吸式裂纹对叶盘 系统振动局部化的影响规律。
实际结构中往往同时存在多种非线性因素，因此，应进一步展开考虑多种非线性因素的失谐叶盘结构振动局 部化研究。此外，应加强对非线性叶盘结构振动局部化试 验验证技术的研究。
• 14•内燃机与配件
基于CFD数值模拟某乘用车排气系统设计
Exhaust System Design for the Passenger Car Based on CFD Simulation
黄名宗 HUANG Ming-zong；王伟伟 WANG Wei-wei;
刘淑玉 LIU Shu-yu；谢志清 XIE Zhi-qing
(上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，柳州545007 )
(TDC,SAIC GM Wuling Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou545007, China)
摘要：采用数值计算与实验验证相结合的方法，对某款乘用车的排气系统进行开发设计。以排气背压为主要评判准则，通过 FLUENT对初步设计的两套方案进行数值模拟，发现方案二的背压优于方案一；将样件搭载到发动机台架做验证，发现只有方案二满 足发动机背压要求；对方案二进一步做噪声测试，结果表明，总声压及各阶次噪声均没有超过目标曲线，满足整车性能要求。
Abstract:A passenger car exhaust system is designed with computational fluid dynamics (CFD)simulation and experiment verification. Two sets of preliminary^design schemes are simulated with FLUENT and found that the back pressure of scheme H is better than scheme I based on exhaust back pressure as the main evaluation criteria.Only scheme H can satisfy the engine back pressure requirements when samples are carried on engine test bench for authentication.Furthermore，the result of scheme H of noise test shows that the total sound pressure and each order noise are under the target curve,meeting the perfonnance requirements.
关键词：排气系统;CFD；实验验证；设计
高速公路过路费计算Key words:exhaust system；CFD；experimental verification；design
〇引言
蜗牛车志
新开发一款乘用车，该乘用车是在某款已量产车型的 基础上改进而来；采用数值模拟与实验相结合的方法开发 该乘用车的排气系统，不仅可以减小试验量，缩短设计周 期，还可提高开发效率，降低设计成本'文章阐述某款乘 用车排气系统在满足排气背压的前提下，基于实验和CFD 分析的开发设计过程。
作者简介：黄名宗（1988-)，男，广西南宁人，上汽通用五菱汽车 股份有限公司排气系统工程师，硕士研究生，从事排
气系统设计工作。
2.2.2叶片--轴系统及多级叶盘结构耦合研究
目前，针对叶盘耦合振动特性研究忽略了转轴柔性对 叶盘结构振动特性的影响。研究表明，叶盘和转轴之间存 在较强的耦合振动问题，从而对叶片、和轴各自的振 动特性和叶盘结构的耦合振动特性产生一定的影响。研究 表明，为了提高整个转子组件的动力学响应预测精度，必须考虑转子相邻级间的耦合效应。
考虑叶盘和转轴以及多级叶盘结构会使得结构更加 复杂，又由于多级叶盘结构叶片数目不一等因素，如何建 立合理的减缩模型，并寻求正确的分析方法仍是研究多部 件及多级叶盘结构耦合问题的关键所在。
2.2.3流-固耦合问题研究
本小节对叶盘结构在载荷方面的耦合效应展开分析 讨论。多场耦合问题的研究促使了许多分析软件的诞生和 发展，比如Adina、Comsol等等。而且目前对流固耦合的研 究大多以叶片为研究对象，且大多数研究将气动力对叶片 的作用简化为点激励形式，这样没有考虑气动力与结构之 间的耦合效应，势必会影响到叶片的响应预测精度。此外，航空发动机叶片颤振也属于流固耦合问题研究范畴。因而，为了准确研究叶片的颤振稳定性问题，必须同时考虑 气动和结构的相互作用，进行叶片的流固耦合分析。
1设计方案
特斯拉在华降价排气系统包括排气歧管、三元催化转化器、柔性节、主
消声器、副消声器及管道等。工程上习惯将从排气门到三
元催化器的部分称为排气系统热端；三元催化器以后至排
气尾管称为排气冷端。
新开发车型的底盘与量产车的基本相同，只是为了给
林肯汽车suv
油箱腾空间而做了小幅度更改；为减少排气系统试验量，
缩短设计周期，降低设计成本，实现零件模块化、平台化，
初始方案是：新开发车型的排气系统尽可能的借用量产车
型的设计。
目前，基于流固耦合的求解分析方法仍是国内外研究
的一大热点。从发展的先后顺序来看，可分为单步耦合、多步
耦合和直接耦合三个阶段。其中单步耦合只需要在结构场和
流场之间进行一次数据迭代，而多步耦合则需每次计算完成
之后在结构场和流场交界面上进行载荷和位移边界等参数
的迭代，统称为弱耦合。直接耦合是对结构场和流场建立整
体求解方程进行分析计算，称为强耦合法，但因为理论尚未
完全成熟，还需深入研究。同时，基于流固耦合分析方法及其
结果的正确性试验验证也是目前研究的一大难点。
3总结
本文对航空发动机谐调叶盘结构和失谐叶盘结构耦
合共振研究现状进行了综述和讨论，重点阐述了失谐叶盘
结构振动模态局部化和振动响应局部化的国内外发展现
状，并对叶盘结构失谐研究的热点问题展开讨论，指出了
需要进一步研究的重难点问题，为后续航空发动机失谐叶
盘结构耦合共振研究提供了必要的指导价值。
参考文献：
[1]佟刚，乔永利，艾延延，等.航空发动机涡轮转子叶片一盘 耦合共振特性分析「J1.沈阳航空工业学院学报,2010,27(5)6-10.
[2]李其汉，王延荣，王建军.航空发动机叶片高周疲劳失效研 究[J1.航空发动机,2003,29(4): 16-18.
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