近日，南京航空航天大学周瑾教授团队联合意大利都灵理工大学、东北大学，在转子动力学建模领域取得新进展。相关研究成果以“组合连接转子系统CUF建模与试验验证”为题发表在《振动工程学报》。南京航空航天大学为第一完成单位，赵亚正博士为论文第一作者，周瑾教授为通讯作者，Erasmo Carrera教授和江雨霖博士参与了本项研究。 

组合连接转子广泛应用于航空发动机、燃气轮机及高速压缩机等关键装备，其动力学特性的准确预测对于保障高速旋转机械的安全运行与长期服役可靠性具有重要意义。此类转子通常由转轴与多个涡轮盘通过螺栓连接组成，具有结构复杂、盘轴耦合显著及连接界面力学特性复杂等特点。传统一维梁模型虽然计算效率较高，但难以准确描述截面翘曲、横向剪切变形及盘结构局部柔性等三维变形效应；三维实体有限元模型则通常面临自由度规模大、计算成本高等问题。因此，如何兼顾建模精度与计算效率，实现对组合连接转子动力学特性的准确预测，是复杂转子系统建模领域的重要研究课题。 

针对上述问题，研究团队基于Erasmo Carrera教授提出的Carrera Unified Formulation（CUF）理论，构建了兼顾建模精度与计算效率的组合连接转子动力学模型。该方法通过对转子截面位移场进行高阶展开，并结合轴向有限元离散，实现对转子三维变形特征的统一描述。同时，针对转轴与涡轮盘之间的螺栓连接界面，引入等效接触弹簧模型，表征连接界面的法向与切向刚度特性，从而考虑装配界面对转子整体动力学行为的影响。在此基础上，研究团队分别建立了涡轮轴、涡轮盘及整机组合连接转子的动力学模型，并搭建了组合连接转子试验平台，开展了涡轮轴、涡轮盘及不同边界条件下组合连接转子的模态试验。结果表明，在未进行模型修正情况下，CUF模型能够准确预测转子的固有频率与振型，其中涡轮轴前三阶固有频率的最大相对误差为0.73%，自由状态下组合连接转子的最大相对误差为4.82%，支承状态下进一步降至1.62%，验证了该方法的有效性。 

该研究将CUF高阶建模方法拓展至组合连接转子系统，建立了兼顾三维变形描述能力与计算效率的动力学分析框架，并通过多部件、多边界条件下的系统性模态试验验证了模型的有效性。研究成果为航空发动机、燃气轮机等复杂旋转装备的动力学建模、振动特性预测及结构设计提供了新的建模方法和技术支撑，对提升组合连接转子系统的分析精度与工程设计可靠性具有重要意义。

图1 组合连接转子结构及试验平台

图2 涡轮盘圆截面的离散化方法

图3 轴承装配方法

图4 涡轮盘第一阶模态的数值与试验结果

论文链接：待更新。