航空发动机朝着轻量、高速、重载和连续运行等方向的发展,其整体结构更加紧凑,转/静子间的间隙要求更小,因此发动机转/静子碰摩故障问题成为主要的技术瓶颈。目前对航空发动机转/静子碰摩故障的研究多集中在碰摩非线性动力响应、热冲击、接触刚度等方面,而对热耦合作用下转/静子的碰摩特性仍缺乏系统的研究。论文借助转子动力学、传热学、振动分析等理论,针对高速旋转叶片热耦合状态下的振动特性、约束叶片的热屈曲响应以及叶片-机匣结构的瞬态碰摩问题展开研究,为改善碰摩状况、控制系统能量扩散以及优化结构设计参数提供参考。主要研究内容包括:(1)基于Hamilton原理,推导了高速旋转叶片在热-结构耦合场下的振动平衡方程。考虑温度场、旋转软化及离心力效应,建立多场耦合的动力学模型,采用有限元法对叶片的热-结构耦合模型进行模态分析。结果表明,温度场、旋转软化和离心力效应的三者耦合作用会使旋转叶片发生明显的弯扭振型。随温度和转速的升高,弯扭振型下叶片的径向变形量增加,这将直接影响叶尖与机匣内壁的原有间隙,易使两者发生碰摩故障。(2)基于热屈曲理论,分别建立了约束叶片的线性和非线性热屈曲平衡方程,研究叶片结构的几何模态、屈曲应力及临界屈曲载荷,进而确定其结构热稳定性和失稳形式。结果表明,非线性分析结果更接近工程实际情况。同时在热冲击载荷作用下,叶尖承受较大应力,叶片以扭转变形为主,该变形进一步缩小了叶片与机匣内壁的距离。(3)在叶片热耦合弯曲和扭转形式的基础上,构建了悬臂梁-弹簧式的叶片-机匣碰摩接触模型。以瞬态脉冲力模拟高速冲击的碰摩作用力,系统地分析了叶片-机匣在热-结构多场耦合作用下碰摩应力、接触点温度及能量的变化规律。研究发现,多场耦合下转速由0升高到额定转速(1323.7rad/s)时,叶尖与机匣会发生不同程度的局部碰摩和整周碰摩,直接导致碰摩接触区表面能量迅速集聚,接触区温度不断升高、热应力增大,引起叶尖和叶根处产生较大的热变形,对叶片-机匣结构的使用寿命和发动机的运行安全造成了重大的隐患。论文对高速旋转叶片-机匣结构瞬态热耦合特性的系统研究,对于分析和解决旋转机械碰摩故障具有理论指导意义和工程应用价值。