一种模块化分段线性非线性能量阱结构

1.本发明属于非线性能量阱领域，涉及一种模块化分段线性非线性能量阱结构，尤其涉及一种应用于航空发动机、燃气涡轮或汽轮机等叶轮旋转机械的机匣、支板等静子结构的模块化分段线性刚度可调及阻尼可调的减小转子、静子独立振动与相互耦合振动的非线性能量阱结构。


背景技术：

2.非线性能量阱是一种新兴的应用于动力装置的先进减振设备和技术，得到了广泛研究和应用。传统线性动力吸振器，其刚度为常定值，有效适用频带范围较窄，仅在转子某单一共振频率附近具有较好的减振效果。非线性能量阱刚度具有非线性特性，其适用频带范围宽，可在更宽的振动频带下高效吸收振动能量，避免了传统线性动力吸振器频带窄的弊端，逐步成为具有良好应用前景的减振技术。
3.非线性能量阱刚度非线性设计及实现是其研制难点，限制了其工业应用。目前刚度非线性大多通过记忆合金等先进非线性材料和分段线性刚度实现。记忆合金等非线性材料存在驱动附属设备复杂等弊端，比如需要电控加热器等设备实现刚度改变等，难以在追求高推重比的航空发动机上应用。分段线性刚度也是实现非线性刚度的一种有效措施，但目前设计的分段线性非线性能量阱每段线性刚度是固定不变、无法调节的，一旦应用到另一台不同动力设备，该分段线性规律便失效，无法适配，需要重新设计和加工，增加时间成本和加工成本。此外，目前的分段线性非线性能量阱少有专用阻尼耗散模块，仅是调节刚度变化，无法快速调节和适配不同振动情形的阻尼耗散，对于动力设备的减振效果有限。


技术实现要素：

4.(一)发明解决的技术问题
5.本发明提供了一种应用于航空发动机、燃气涡轮或汽轮机等叶轮旋转机械的机匣、支板等静子结构的模块化分段线性刚度可调及阻尼可调的减小转子、静子独立振动与相互耦合振动的非线性能量阱结构，主要解决航空发动机、燃气涡轮或汽轮机等叶轮旋转机械部件及整机振动问题，解决挤压油膜阻尼器等传统线性动力吸振器刚度为常定值，有效适用频带范围窄，仅在转子某单一共振频率附近具有较好的减振效果等局限和问题，同时解决电磁轴承、记忆合金及可控挤压油膜阻尼器等动力吸振器结构复杂、作动器体积大、作动慢且难以从整机全局的角度对转、静部件间传递及耦合的振动实现实时瞬态捕捉、控制和抑制等问题。
6.(二)本发明解决其技术问题所采用的技术方案
7.一种模块化分段线性非线性能量阱结构，至少包括一安装壳体、一振子组件、一组件安装座、若干分段线性弹簧组件、一阻尼层组件、一压盖，用于叶轮旋转机械静子部件多阶模态振动能量的吸收耗散和振动抑制，其特征在于，
8.所述安装壳体为一内部中空、前侧及底部均呈开口的六面结构体，且所述安装壳
体的前侧开口处通过连接件固定设置所述压盖；所述安装壳体的左右两侧壁的内壁上分别设有一沿前后方向延伸的第一滑槽；
9.所述组件安装座整体为一板状结构体，其左右两侧设有与所述第一滑槽相适配的并沿前后方向延伸的第一滑轨，所述组件安装座通过其左右两侧的第一滑轨插设在所述安装壳体内左右两侧的第一滑槽中，且处于装配状态时，所述组件安装座的顶面与所述安装壳体的顶板的底面不接触、不发生干涉；所述组件安装座的底面设有若干沿左右方向分布并沿前后方向延伸的第二滑槽，所述第二滑槽用以装配安装所述阻尼层组件和各所述分段线性弹簧组件，且用以装配所述阻尼层组件的第二滑槽设置在所述组件安装座的底面的中部，用以装配各所述分段线性弹簧组件的第二滑槽设置在所述组件安装座的底面的左右两侧；
10.每一所述分段线性弹簧组件均包括一第一上安装板、一第一下安装板以及设置在所述第一上安装板与第一下安装板之间的若干长度及刚度不同的弹簧件，且其中最长的弹簧件的上下两端分别固定连接至所述第一上安装板和第一下安装板，其余弹簧件的上端与所述第一上安装板固定连接、下端自由，以实现所述分段线性弹簧组件的非线性刚度；各所述第一上安装板的截面形状与所述组件安装座底面上对应的第二滑槽的截面形状相适配，各所述分段线性弹簧组件通过其第一上安装板插设在所述组件安装座底面上对应的第二滑槽中；
11.所述阻尼层组件包括一第二上安装板和一设置在所述第二上安装板的底面上并向下突出的第一条状阻尼层，所述第二上安装板的截面形状与所述组件安装座底面上对应的第二滑槽的截面形状相适配，所述阻尼层组件通过其第二上安装板插设在所述组件安装座底面上对应的第二滑槽中；所述第一条状阻尼层沿前后方向延伸；
12.所述振子组件包括一承托板和一形成在所述承托板底面中部并向下方延伸的条状安装板，所述承托板的左右两侧壁分别与所述安装壳体的左右两侧壁的内壁相抵接并可沿上下方向自由滑动；所述承托板的顶面设有若干沿左右方向分布并沿前后方向延伸的第三滑槽，各所述第三滑槽与各所述分段线性弹簧组件的第一下安装板一一对应，各所述分段线性弹簧组件的第一下安装板一一对应设置在各所述第三滑槽中；所述承托板的顶面中部设有一向上突出的第二条状阻尼层，所述第二条状阻尼层沿前后方向延伸，且处于装配状态时，所述第二条状阻尼层与第一条状阻尼层错位贴合布置形成一阻尼摩擦副；
13.所述安装壳体的左右两侧底部与叶轮旋转机械支撑架固定安装，所述振子组件底部的条状安装板与叶轮旋转机械静子部件固定安装。
14.优选地，所述压盖的左右两侧分别设有耳板，每一所述耳板上均设有连接孔，所述安装壳体左右两侧的前端面上分别设有与所述耳板上的连接孔对应的连接孔，所述压盖通过其左右两侧的耳板以及设置在所述耳板上的连接孔并通过设置在连接孔中的连接件与所述安装壳体左右两侧前端面上的连接孔固定连接。
15.优选地，所述压盖处于安装状态时，所述组件安装座、振子组件以及设置在所述组件安装座与振子组件之间的各所述分段线性弹簧组件及阻尼层组件在前后方向处于不可移动状态。
16.优选地，所述第一滑槽的横截面为矩形、弧形或半圆形，所述第一滑轨的横截面形状与所述第一滑槽相适配。
17.优选地，所述组件安装座底面上的第二滑槽，其横截面基本呈t形，各所述分段线性弹簧组件的第一上安装板的横截面形状、阻尼层组件的第二上安装板的横截面形状与所述第二滑槽的横截面形状相适配，各所述第二滑槽以与各所述第一上安装板、第二上安装板不可脱落的方式相互装配。
18.优选地，所述振子组件的承托板顶面上的各第三滑槽，其横截面基本呈矩形，各所述分段线性弹簧组件的第一下安装板的横截面形状与所述第三滑槽的横截面形状相适配，各所述第三滑槽以限制各所述第一下安装板在左右方向移动的方式相互装配。
19.优选地，所述安装壳体的左右两侧壁的底部分别设有一向外延伸的法兰安装边，每一所述法兰安装边上设有沿前后方向分布的若干连接孔，所述安装壳体通过其左右两侧底部设置的若干连接孔与叶轮旋转机械支撑架固定安装，所述振子组件底部的条状安装板上沿前后方向设有若干安装孔，用于与叶轮旋转机械静子部件固定安装以传递振动载荷。
20.优选地，各所述分段线性弹簧组件、阻尼层组件根据叶轮旋转机械静子部件的多阶模态振动情况进行自由组合和更换，以降低设计和加工成本。
21.本发明的模块化分段线性非线性能量阱结构，初始状态时的共振频率对应叶轮旋转机械静子部件的某一共振频率，当静子部件在该阶模态共振时，其与该非线性能量阱发生共振捕获，静子机匣振动能量向该非线性能量阱发生靶能量传递，并被其阻尼层吸收耗散，共振捕获条件破坏，靶能量传递结束而不会传递回静子部件，机匣等静子部件振动能量降低，振动得到抑制。当静子部件振幅进一步增大时，振子将会使分段线性弹簧组件的底座与初始状态未接触的弹簧接触，整体支承刚度增加，并使其与该振幅对应的共振频率一致，振动能量进行靶向传递和阻尼耗散。模块化设计的分段线性刚度和阻尼的自由组合，使得该非线性能量阱能够实现多模态振动控制和抑制。
22.(三)相比于现有技术，本发明具有显著的技术效果
23.(1)本发明的模块化分段线性非线性能量阱结构，适用于叶轮旋转机械静子部件尤其适用于航空发动机支板以及薄壁机匣等静子结构，可实现航空发动机静子部件以及整机多阶模态振动能量的吸收耗散和振动抑制。
24.(2)本发明的模块化分段线性非线性能量阱结构，基于模块化设计，分段线性弹簧组件结构简单，易安装，易更换，可设计不同弹簧刚度组合及不同弹簧数量的分段线性弹簧组件，根据机匣等静子结构的多阶模态振动情况进行自由组合和更换，提高非线性能量阱其他结构的通用性和重复使用性，降低设计、加工成本。阻尼层组件结构简单，易安装，易更换，可设计不同材质(摩擦系数、粗糙度)的阻尼层组件，适应不同程度的振动环境应用场景，实现振动能量的高效摩擦耗散和振动的有效抑制。
附图说明
25.图1为本发明的模块化分段线性非线性能量阱横截面结构示意图；
26.图2为本发明的模块化分段线性非线性能量阱立体结构示意图；
27.图3为本发明中安装壳体的结构示意图；
28.图4为本发明中组件安装座的结构示意图；
29.图5为本发明中分段线性弹簧组件的结构示意图；
30.图6为本发明中阻尼层组件的结构示意图；
31.图7为本发明中振子组件的结构示意图；
32.图8为本发明中压盖的结构示意图；
33.附图标记说明：
34.安装壳体1、振子组件2、组件安装座3、分段线性弹簧组件4、阻尼层组件5，压盖6，第一滑槽7，第一上安装板8，弹簧9，第一下安装板10，第二滑槽11，条状阻尼层12，第三滑槽13。
具体实施方式
35.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.如图1、2所示，本发明提供了一种模块化分段线性非线性能量阱结构，尤其适用于航空发动机支板以及薄壁机匣等静子结构，可实现航空发动机静子部件以及整机多阶模态振动能量的吸收耗散和振动抑制。本发明的模块化分段线性非线性能量阱结构，至少包括一安装壳体1、一振子组件2、一组件安装座3、若干分段线性弹簧组件4、一阻尼层组件5、一压盖6。安装壳体1的左右两侧底部与叶轮旋转机械支撑架固定安装，振子组件2底部的条状安装板与叶轮旋转机械静子部件固定安装。更加具体地，安装壳体1的左右两侧壁的底部分别设有一向外延伸的法兰安装边，每一法兰安装边上设有沿前后方向分布的若干连接孔，安装壳体1通过其左右两侧底部设置的若干连接孔与叶轮旋转机械支撑架固定安装，振子组件2底部的条状安装板上沿前后方向设有若干安装孔，用于与叶轮旋转机械机匣静子部件固定安装。
37.如图3所示，安装壳体1为一内部中空、前侧及底部均呈开口的六面结构体，且安装壳体1的前侧开口处通过连接件固定设置压盖6；安装壳体1的左右两侧壁的内壁上分别设有一沿前后方向延伸的第一滑槽7。
38.如图4所示，组件安装座3整体为一板状结构体，其左右两侧设有与第一滑槽7相适配的并沿前后方向延伸的第一滑轨，组件安装座3通过其左右两侧的第一滑轨插设在安装壳体1内左右两侧的第一滑槽7中，且处于装配状态时，组件安装座3的顶面与安装壳体1的顶板的底面不接触、不发生干涉；组件安装座3的底面设有若干沿左右方向分布并沿前后方向延伸的第二滑槽11，第二滑槽11用以装配安装阻尼层组件5和各分段线性弹簧组件4，且用以装配阻尼层组件5的第二滑槽11设置在组件安装座3的底面的中部，用以装配各分段线性弹簧组件4的第二滑槽11设置在组件安装座3的底面的左右两侧。
39.如图5所示，每一分段线性弹簧组件4均包括一第一上安装板8、一第一下安装板10以及设置在第一上安装板8与第一下安装板10之间的若干长度及刚度不同的弹簧件9，且其中最长的弹簧件9的上下两端分别固定连接至第一上安装板8和第一下安装板10，其余弹簧件9的上端与第一上安装板8固定连接、下端自由，以实现分段线性弹簧组件4的非线性刚度；各第一上安装板8的截面形状与组件安装座3底面上对应的第二滑槽11的截面形状相适
配，各分段线性弹簧组件4通过其第一上安装板8插设在组件安装座3底面上对应的第二滑槽11中；
40.如图6所示，阻尼层组件5包括一第二上安装板8和一设置在第二上安装板8的底面上并向下突出的第一条状阻尼层12，第二上安装板8的截面形状与组件安装座3底面上对应的第二滑槽11的截面形状相适配，阻尼层组件5通过其第二上安装板8插设在组件安装座3底面上对应的第二滑槽11中；第一条状阻尼层12沿前后方向延伸；
41.如图7所示，振子组件2包括一承托板和一形成在承托板底面中部并向下方延伸的条状安装板，承托板的左右两侧壁分别与安装壳体1的左右两侧壁的内壁相抵接并可沿上下方向自由滑动；承托板的顶面设有若干沿左右方向分布并沿前后方向延伸的第三滑槽13，各第三滑槽13与各分段线性弹簧组件4的第一下安装板10一一对应，各分段线性弹簧组件4的第一下安装板10一一对应设置在各第三滑槽13中；承托板的顶面中部设有一向上突出的第二条状阻尼层12，第二条状阻尼层12沿前后方向延伸，且处于装配状态时，第二条状阻尼层12与第一条状阻尼层12错位贴合布置形成一阻尼摩擦副。
42.如图8所示，压盖6的左右两侧分别设有耳板，每一耳板上均设有连接孔，安装壳体1左右两侧的前端面上分别设有与耳板上的连接孔对应的连接孔，压盖6通过其左右两侧的耳板以及设置在耳板上的连接孔并通过设置在连接孔中的连接件与安装壳体1左右两侧前端面上的连接孔固定连接。压盖6处于安装状态时，组件安装座3、振子组件2以及设置在组件安装座3与振子组件2之间的各分段线性弹簧组件4及阻尼层组件5在前后方向处于不可移动状态。
43.本发明的非线性能量阱基于模块化设计，分段线性弹簧组件4和阻尼层组件5可根据机匣等静子结构的多阶模态振动情况进行自由组合和更换，降低设计和加工成本。该非线性能量阱在初始状态时的共振频率对应静子结构的某一共振频率，当静子结构在该阶模态共振时，其与该非线性能量阱发生共振捕获，静子机匣振动能量向该非线性能量阱发生靶能量传递，并被其阻尼层吸收耗散，共振捕获条件破坏，靶能量传递结束而不会传递回静子结构，机匣等静子结构振动能量降低，振动得到抑制。当静子结构振幅进一步增大时，振子将会使分段线性弹簧组件的底座与初始状态未接触的弹簧接触，整体支承刚度增加，并使其与该振幅对应的共振频率一致，振动能量进行靶向传递和阻尼耗散。模块化设计的分段线性刚度和阻尼的自由组合，使得该非线性能量阱能够实现多模态振动控制和抑制。
44.本发明优选的实例中，安装壳体1左右两侧分别开设两个螺栓孔，用于在叶轮旋转机械支撑架上通过螺栓固定安装；模块化组件安装座3通过安装壳体1内壁开设的两条第一滑槽7插入安装；分段线性弹簧组件4由t形截面第一上安装板8、不同规格弹簧件9和矩形截面第一下安装板10三部分组成；分段线性弹簧组件4中不同规格弹簧件9中最长的弹簧两端分别点焊至第一上安装板8和第一下安装板10，其余弹簧仅一端与上滑轨点焊固定，实现分段线性的非线性刚度；分段线性弹簧组件4通过t形截面第一上安装板8与模块化组件安装座3开设的t形第二滑槽11配合插入安装；阻尼层组件5上部为t形截面第一上安装板8，下部敷设有阻尼层12，阻尼层组件5与模块化组件安装座3开设的t形第二滑槽11配合插入安装；振子组件2中部敷设有阻尼层12，与阻尼层组件5下部阻尼层12相互配合形成阻尼摩擦副；振子组件2上端面开设有矩形第三滑槽13，与分段线性弹簧组件4矩形截面第一下安装板10配合滑入安装；振子组件2底部法兰安装边开设有两个螺纹孔，与叶轮旋转机械静子等部件
实现螺栓固定安装，以传递振动载荷。
45.本发明的非线性能量阱基于模块化设计，分段线性弹簧组件4结构简单，易安装，易更换，可设计不同弹簧刚度组合及不同弹簧数量的分段线性弹簧组件4，根据机匣等静子结构的多阶模态振动情况进行自由组合和更换，提高非线性能量阱其他结构的通用性和重复使用性，降低设计、加工成本。阻尼层组件5结构简单，易安装，易更换，可设计不同材质(摩擦系数、粗糙度)的阻尼层组件，适应不同程度的振动环境应用场景，实现振动能量的高效摩擦耗散和振动的有效抑制。
46.通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
47.本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。