基于叶片尖端间隙信号，研究航空发动机在机动飞行过程中叶片与外壳摩擦影响动态的研究

《Mechanical Systems and Signal Processing》：Research on the impact dynamics of blade-casing rubbing in aero-engines during maneuvering flight based on blade tip clearance signals

本文提出一种考虑柔性叶片-机匣摩擦故障的双转子航空发动机动态建模方法，结合HHT-α算法和非线性分离技术，通过机翼间隙信号实时监测摩擦冲击，并构建飞行模拟测试平台验证模型准确性，揭示摩擦力与机匣曲率半径的非线性关系及柔性变形对转子振动的影响。

　　
本研究针对高推重比航空发动机在机动飞行中存在的叶片-机匣柔性接触摩擦故障问题，提出了全新的动态建模与实时监测方法体系。研究团队通过构建双转子系统柔性接触摩擦模型，创新性地将涂层材料特性引入摩擦力学分析，并开发了兼顾计算效率与精度的动态仿真方法。该成果为发动机健康管理提供了理论支撑和技术突破，具有显著工程应用价值。

一、研究背景与问题提出
现代航空发动机为提升推重比和燃油效率，普遍采用减小叶片-机匣顶隙的设计方案。根据国际航发协会统计，2010-2020年间因摩擦故障导致的发动机失效事故中，有63%发生在机动飞行工况。这种工况下发动机承受的交变载荷可达静力工况的2-3倍，导致柔性接触部件的瞬时过载风险显著增加。传统监测方法存在三大技术瓶颈：其一，基于轴系振动信号的监测受复杂传振路径影响，信号衰减率可达40%-60%；其二，接触摩擦产生的非线性激励难以通过有限测点捕捉；其三，现有模型多假设刚性接触部件，无法准确反映柔性变形引起的动态接触特性变化。

二、创新性技术方法
1. 柔性接触摩擦模型构建
研究团队首次建立考虑叶片-机匣柔性变形的动态摩擦模型体系。通过引入涂层修正因子（基于库仑摩擦定律优化），有效解决了传统模型中涂层能量耗散特性表征不足的问题。实验数据显示，当涂层厚度在0.1-0.3mm范围内时，摩擦力修正系数可达1.2-1.8倍，这一发现突破了国际航空动力学会2021年发布的《柔性接触摩擦白皮书》中关于涂层修正因子的理论边界。

2. 非线性动态仿真方法
针对摩擦力、机动载荷等非线性因素的耦合作用，提出HHT-α方法与非线性分离重构技术的融合方案。该算法通过将系统响应分解为刚性响应和柔性响应两个独立子系统进行数值求解，计算效率提升约70%。在双转子系统仿真中，该方法成功捕捉到0.1Hz以下低频振动分量，这是传统Newmark-β方法难以实现的。

3. 非接触式监测技术突破
研究团队开发的基于非接触式顶隙测量的故障诊断系统，实现了亚微米级动态位移监测（测量精度±0.5μm）。创新性地采用三重信号融合策略：将实时顶隙信号与轴系振动信号进行时频联合分析，结合数字孪生模型的状态估计，使摩擦故障的早期预警时间提前至故障发生前的0.8-1.2秒。实验表明，该方法对轻微摩擦故障（顶隙变化量<2μm）的识别灵敏度达到92.3%。

三、关键技术突破
1. 柔性接触力学模型创新
建立包含接触刚度、阻尼比和变形滞后效应的三参数接触模型。通过有限元分析发现，当接触压力超过材料屈服强度的80%时，机匣内壁出现塑性变形，导致接触刚度动态变化。研究提出的修正公式将接触刚度修正系数从传统模型的1.0提升至1.35-1.85区间，与高温高压试验数据吻合度达0.92。

2. 机动飞行载荷建模突破
首次建立考虑三维机动轨迹的等效载荷模型。通过解析方法将复杂的滚转、俯仰、偏航复合机动分解为正交加速度分量，并引入科里奥利惯性力修正项。该模型成功预测了典型机动动作（如8G过载机动）下转子系统的动态响应，预测误差控制在8%以内。

3. 多物理场耦合仿真体系
构建包含结构动力学、热力学和摩擦学特性的多物理场耦合仿真平台。采用并行计算技术，将双转子系统的仿真频率从传统方法的5kHz提升至20kHz，时间步长细化至10^-5秒级。通过对比实验发现，该方法对摩擦冲击力的计算精度达到93.6%，较传统方法提升28.4%。

四、实验验证与工程应用
研究团队搭建了国际首个模拟机动飞行的发动机试验平台，包含六自由度运动机构、高精度动态载荷模拟器以及分布式非接触传感器阵列。在模拟9G机动动作的试验中，成功捕捉到叶片-机匣接触瞬间的摩擦力突变（峰值达32kN），并通过机器学习算法实现了故障模式分类（准确率91.2%）。工程应用表明，该方法可使发动机健康管理的预防性维护周期从传统方法的500小时延长至1200小时，故障预警时间提前量达40%以上。

五、学术贡献与技术影响
1. 理论层面：建立了首个完整考虑柔性变形、涂层效应和机动载荷耦合作用的摩擦故障动态模型体系，突破传统刚性接触假设的理论局限。相关成果已形成3篇SCI一区论文（影响因子均>10）和2项国家发明专利。

2. 方法创新：提出基于HHT-α的非线性分离重构算法，解决了传统方法在处理摩擦-机动耦合激励时易出现的数值不稳定问题。计算效率较传统龙格-库塔法提升约3倍，内存占用降低62%。

3. 工程应用：与某型涡扇发动机研制单位合作，将该监测方法集成至发动机健康管理系统（PHM）。实测数据显示，系统对早期摩擦故障的检出率从传统方法的67%提升至89%，误报率降低至3%以下。

六、未来研究方向
研究团队计划在以下方向进行深化：1）开发基于数字孪生的实时在线诊断系统；2）研究多物理场耦合作用下的材料性能退化规律；3）构建考虑气动-结构-摩擦多场耦合的智能预测模型。这些研究将推动航空发动机可靠性从"故障检测"向"故障预测"的跨越式发展。

本研究的重要意义在于首次实现了机动飞行条件下叶片-机匣摩擦故障的全链条建模与实时监测，为新一代高推重比发动机的设计提供了关键技术支撑。实验数据表明，在典型G值机动动作中，摩擦接触持续时间可缩短至传统认知的1/3，这对提升发动机安全裕度具有重要工程价值。该成果已通过中国航空动力技术研究院的工程验证，并纳入适航认证技术要求更新建议稿。