[发明专利]模态成形的部件

说明书

在附图中示出了本发明的实施例，其中提出了用于设计部件（50；60）的方法，包括：设计或接收（101；201）部件（50；60）的模型（M）；确定（102；202）模型（M）的至少一部分的至少一个模态形状；基于所确定的至少一个模态形状来重新设计（103；209）模型（M），以获得部件（50；60）的重新设计的模型（M’）；以及根据重新设计的模型（M’）来制造（106）部件（50；60）。

技术领域

本公开涉及一种用于设计部件的方法、涉及用于制造部件的方法以及涉及部件。

背景技术

特别是在旋转机械领域中，常见问题是控制振动的水平。振动可由机械的部件（诸如例如轴、压缩机，以及气体涡轮机引擎中的涡轮机盘和叶片），以及还有外部强迫（诸如例如在具有气体涡轮机引擎的飞行器中的飞行器操纵和空气动力）的不平衡引起。通常采用诸如流体阻尼器的阻尼系统来降低振动。

考虑到旋转系统的共振，振动在特定的旋转速度和/或频率（被认为是“临界”速度）下是特别显著的。在临界速度下，系统通常以共振（一种状况，在其中由通过设计的刚度、惯性和阻尼所确定的系统内部振动响应来维持振动）的方式振动。阻尼系统通常被设计成使得其能力在使用中不被超过。在许多情况下，阻尼系统和其它部件（诸如，支撑结构）相应地具有相对高的重量。然而，在许多领域中，例如，航空航天、重量是重要的考虑因素。

发明内容

本发明的目的是通过轻质部件设计来降低振动。

根据一个方面，提供了一种用于制造部件的方法。该方法包括：设计或接收部件的模型（例如，3d-CAD模型）；确定（例如，通过计算机模拟）模型的至少一个模态形状；基于所确定的至少一个模态形状来重新设计模型，以获得部件的重新设计的模型；以及根据重新设计的模型来制造部件。

这是基于这样的发现：部件的振动响应可以通过使部件的几何形状适应于其在没有修改的情况下的一个或多个模态形状而被特别有效地降低。

该方法提供了部件设计，该部件设计允许通过遵循由其模态形状中的一个或多个所限定的路径来改变在一个或多个部件（例如，引擎的一个或多个部件）处的刚度和/或质量的分布以降低共振中的振动。

给定某个对象或结构（例如，引擎部件），模态形状（由特征向量限定）对应于当在共振中对应自然频率（由特征值限定）被激励时部件在其上振动的特征形变模式。除了共振（其是在操作期间通常不期望的状况）之外，飞行器引擎反复地经历由诸如飞行器操纵、速度调节或控制系统相互作用的瞬时负载所激励的振动，这可能在每次飞行中重复若干次，从而导致疲劳和引擎结构完整性的最终损耗。

机械布置的模态形状完全限定机械系统的自由和强迫响应，其中自由振动响应限定了模态形状的线性组合（等式1），这取决于边界条件（例如，初始形变和速度）。

等式1

模态形状的特有性质是相对于机械布置（例如，部件或子组件）的质量和刚度矩阵的正交性。

等式2

由公式2限定的模态形状正交性的性质意味着两个不同模态形状在振动周期上的乘积总是等于零。在振动的物理域中，这表示不能同时共存的两个不同模态形状之间的对立。

事实上，当非强迫系统的初始形变是模态形状中给定再现的一个时，在其他模态下的响应是，因为特有惯性和刚度平衡不能同时发生。因此，瞬时振动发生在已经用于初始激励的模态形状的频率。

类似地，如果借助于设计将模态形状形变强迫到部件中，则可以有利地破坏其它模态形状，并具有降低在宽速度范围内的临界振动的益处。