阻尼环结构行波振动的非线性分析方法及试验

doi:10.7527/S1000-6893.2026.33277

固体力学与飞行器总体设计

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阻尼环结构行波振动的非线性分析方法及试验

杜晨鸿¹, 王延荣¹, 王发忠², 蒋向华¹(), 焦赞², 程前²

^1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 100191
^2.中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500

收稿日期:2025-12-24 修回日期:2026-01-02 接受日期:2026-03-24 出版日期:2026-04-21 发布日期:2026-04-20
通讯作者: 蒋向华 E-mail:jxh@buaa.edu.cn
基金资助:
国家科技重大专项（2022-Ⅳ-0010-0024）

Nonlinear analysis method and experiment on rotationally cyclic structure with a ring damper suppressing vibration under traveling wave excitation

Chenhong DU¹, Yanrong WANG¹, Fazhong WANG², Xianghua JIANG¹(), Zan JIAO², Qian CHENG²

^1.School of Energy and Power Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.AECC Sichuan Gas Turbine Research Institute，Chengdu 610500，China

Received:2025-12-24 Revised:2026-01-02 Accepted:2026-03-24 Online:2026-04-21 Published:2026-04-20
Contact: Xianghua JIANG E-mail:jxh@buaa.edu.cn
Supported by:
National Science and Technology Major Project of China （2022-Ⅳ-0010-0024）

摘要/Abstract

摘要：

在航空燃气涡轮发动机设计中，常需要对含干摩擦阻尼的循环对称结构行波振动下的振动特性进行分析。采用单个扇区有限元模型，利用循环对称边界条件和Craig-Bampton法进行自由度减缩；采用谐波平衡法计算结构在行波激励下的响应，基于非线性复振动形态法的框架，提出了一种基于非线性振动形态的共振响应计算方法，将上述方法应用于阻尼比特性曲线和脊线的计算。对整体叶盘阻尼环结构开展参数敏感性分析，并构建关键设计参数的响应面模型。结果表明，阻尼环的阻尼特性对行波方向不敏感，而增大阻尼环截面尺寸可以提高峰值阻尼比，但过大的截面尺寸可能会增加临界振幅。对实际整体叶盘结构进行结构改进，加设阻尼环，并进行旋转激励试验，结果表明阻尼环可以降低部分振动形态80%左右的振幅。本研究构建的分析方法为循环对称结构在行波激励下的干摩擦阻尼特性分析及结构优化提供了有效工具。

关键词: 整体叶盘, 阻尼环, 干摩擦, 非线性振动形态, 降阶模型, 阻尼比, 旋转激励

Abstract:

During the design of gas turbine aircraft engines， it is essential to analyze the vibration and damping characteristics of the rotationally cyclic structure experiencing traveling wave vibration. A finite element model of a single sector is established. The cyclic symmetry boundary conditions and Craig-Bampton reduction method are combined to construct a reduced order model. Based on the harmonic balance method， the structural forced responses under traveling wave excitation are calculated. By integrating the nonlinear complex vibrational pattern method， the proposed approach enables the calculation of the nonlinear vibrational pattern. A method based on the nonlinear vibrational pattern is proposed to calculate the resonant response of the blisk. A sensitivity analysis is conducted on the blisk with a ring damper， and a response surface model of the key design parameters is constructed. The results reveal two key findings： damping characteristics exhibit negligible sensitivity to traveling wave direction and increasing the ring damper cross-sectional dimension enhances peak damping ratios but may increase critical amplitudes. The actual blisk is modified to add a ring damper. A rotational excitation test is performed. The results show that the ring damper reduces the amplitude by approximately 80%. This method provides an effective tool for damping analysis and structural optimization of cyclic structures under traveling wave vibration.

Key words: blisk, ring damper, dry friction, nonlinear vibrational pattern, reduced order model, damping ratio, rotational excitation

中图分类号:

V231.92

杜晨鸿, 王延荣, 王发忠, 蒋向华, 焦赞, 程前. 阻尼环结构行波振动的非线性分析方法及试验[J]. 航空学报, 2026, 47(17): 233277.

Chenhong DU, Yanrong WANG, Fazhong WANG, Xianghua JIANG, Zan JIAO, Qian CHENG. Nonlinear analysis method and experiment on rotationally cyclic structure with a ring damper suppressing vibration under traveling wave excitation[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(17): 233277.

图/表 26

图 1

图 2

图 3

表1

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

表2

响应面模型方差分析

参数	峰值阻尼比		临界振幅
参数	F-value	p-value	F-value	p-value
$x b$	166.88	<0.000 1	33.91	0.004 3
$x h$	1 675.49	<0.000 1	25.79	0.007 1
$x h p$	182.63	<0.000 1	0.61	0.479 8
$x b x h$	40.82	0.001 4	8.31	0.044 9
$x b x h p$	1.46	0.281 7	4.58	0.099 1
$x h x h p$	63.30	0.000 5	0.44	0.542 2
$x b 2$	2.19	0.199 2	2.14	0.217 1
$x h 2$	5.12	0.073 2	4.36	0.105 0
$x h p 2$	65.73	0.000 5	7.90	0.048 3
$x b x h x h p$			15.82	0.016 4

表2

表3

峰值阻尼比和临界振幅的响应面模型系数

参数	峰值阻尼比	临界振幅	参数	峰值阻尼比	临界振幅
$β 0$	0.639	0.103 4	$β 13$	-0.019	0.007 7
$β 1$	0.178	0.018 8	$β 23$	-0.123	-0.002 4
$β 2$	0.564	0.016 4	$β 11$	-0.040	-0.009 3
$β 3$	-0.186	0.002 5	$β 22$	0.061	-0.013 3
$β 12$	0.098	0.010 4	$β 33$	0.220	-0.017 9
			$β 123$		0.014 4

表3

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

表4

图 18

图 19

图 20

图 21

图 22

参考文献 52

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阶次	节径数0		节径数10		节径数21
阶次	减缩	完全	减缩	完全	减缩	完全
1	39	39	768	768	812	812
2	39	39	769	769	1 661	1 661
3	589	589	808	808	2 402	2 402
4	786	786	1 657	1 657	3 382	3 382
5	1 317	1 316	2 394	2 394	3 428	3 427
6	1 636	1 636	2 823	2 823	3 433	3 428

阻尼环厚度/mm	振动应变/με
阻尼环厚度/mm	试验结果	仿真结果
	282	282
3	62	98
4	50	130
5	59	185

阻尼环结构行波振动的非线性分析方法及试验

Nonlinear analysis method and experiment on rotationally cyclic structure with a ring damper suppressing vibration under traveling wave excitation

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