♣论文：

[1]Shen Xiangxiang, Chen Guo, Liu Fuhai, Zhang Rui, Chi Yixin. Study on dynamic characteristics of blade-casing rub-impact coupling fault considering breathing crack [J]. Nonlinear Dynamics, 2025, 113:32091-32115.

[2]Wang Haifei,  Shen Xiangxiang, Zhou Tian, Sun Jianzhong, Chen Guo. Effects of contact stiffness on the nonlinear motions induced by impacts on an overhung rotor system[J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2024, 138:108216.

[3] Shen Xiangxiang, Chen Guo. Rotor vibration characteristics considering nonlinear stiffness of spigot bolts[J]. Journal of Vibration Engineering and Technologies, 2024, 12(4): 6703-6721.

[4] Shen Xiangxiang, Chen Guo. Study on the nonconcentricity of the high-pressure rotor of the aero-engine[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2023, 37(10): 4989-5002.

[5] Shen Xiangxiang, Chen Guo, Liu Fuhai. Rotating blade vibration parameter identification based on genetic algorithm[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2023, 15(10): 16878132231207153.

[6] 沈响响, 陈果, 胡伟, 李成刚.基于叶尖间隙测量的航空发动机转子振动预测[J].航空动力学报,2022,37(12):2840-2850.

       在现代航空发动机的结构设计中，旋转叶片作为核心做功部件，其运行状态参数直接决定了整机的工作性能。其中，叶尖间隙是影响发动机效率与运行安全的关键参数：间隙过小虽可提升气动效率，但会显著增加叶片与机匣发生碰摩的风险；而早期轻微的叶片–机匣碰摩行为可能诱发叶片裂纹的萌生与扩展。一旦裂纹扩展，将导致叶尖间隙动态减小，进而加剧碰摩故障；同时，碰摩过程中产生的瞬态冲击载荷又可能进一步加速裂纹扩展，形成具有正反馈特性的损伤链式反应，严重威胁发动机的安全运行。然而，当前针对此类复合故障的研究仍存在若干关键不足：一是缺乏融合叶片裂纹与碰摩复合故障的高保真整机动力学模型，尤其缺少涵盖叶片–转子–机匣–非线性支承耦合作用的精细化建模；二是对复合故障下整机系统的振动响应特征及能量传递路径尚缺乏系统认知；三是尚无能够同步复现含复合故障多种工况的综合性试验平台；四是尚未建立面向复合故障的有效诊断指标体系与识别方法。针对上述问题，本文以航空发动机整机系统为研究对象，聚焦叶片裂纹–机匣碰摩复合故障，系统开展其耦合动力学建模、振动特性分析与故障诊断方法研究。主要研究内容包括：
       （1）围绕航空发动机整机系统，构建融合叶片裂纹–碰摩复合故障的耦合动力学模型。针对旋转叶片，基于Hamilton变分原理建立考虑离心刚化、旋转软化及科氏力效应的动力学方程，引入呼吸裂纹模型，通过裂纹开闭状态精确表征动态刚度；然后将单叶片模型拓展至叶片–盘–轴耦合系统，采用有限元法整合叶片–轮盘–转轴之间的运动学约束与动力学耦合；针对薄壁机匣结构，选用截锥壳单元法实现高效建模；随后，通过5自由度非线性滚动轴承支承模型与线性支承模型连接转子与机匣模型，进而形成整机动力学模型。在此基础上，融合气流激励与叶尖间隙动态变化下的叶片–机匣碰摩动力学模型，基于能量守恒原理表征碰摩力，最终构建了完整的含叶片裂纹–机匣碰摩复合故障的整机动力学模型。该模型首次在整机尺度下实现了叶片裂纹与机匣碰摩故障的耦合表征，为整机振动机理分析与故障诊断提供了理论基础。
       （2）基于所提出的整机动力学建模方法，针对带机匣转子试验器开展了系统性的建模与验证工作。首先，分别构建了叶片、叶片–盘–轴一体化结构以及机匣等关键部件的动力学模型；通过与ANSYS有限元仿真结果在模态振型和固有频率方面的对比分析，充分验证了各部件级模型的正确性与准确性。在此基础上，进一步集成弹性支承与非线性轴承支承特性，构建了完整的整机动力学模型。通过将整机模态仿真结果与实际模态试验数据进行对比，验证了所建整机模型在模态特性方面的准确性，为后续复杂故障下的动力学行为研究提供了可信的数值平台。针对故障机制，本文分别建立了精细化的故障模型：在裂纹故障方面，构建了叶片呼吸裂纹模型，并系统研究了裂纹位置与深度对叶片固有频率的影响规律；在碰摩故障方面，建立了气流激励作用下的裂纹叶片–机匣碰摩力模型，不仅与其他经典碰摩力模型进行了对比分析，还探讨了裂纹参数及气动载荷对碰摩力的影响规律。上述建模与验证工作为后续开展含裂纹–碰摩复合故障的非线性动力学仿真、揭示整机振动机理及故障特征提取奠定了坚实的模型基础。
       （3）围绕航空发动机叶片裂纹–机匣碰摩复合故障的整机振动特性，开展了动力学仿真与试验验证。首先，自主搭建了一套航空发动机模拟试验平台，集成可预制裂纹的模块化叶盘、可控气流激励装置、旋转叶片动态应力实时监测系统，以及基于伺服驱动与三向力传感器的主动碰摩施加装置，为复杂故障研究提供了可靠支撑。在此平台上，分别对裂纹单一故障、碰摩单一故障及二者复合工况进行了深入分析。结果表明：气流激励是诱发叶片共振并将特征传递至轴承座、机匣等固定部件的关键因素之一；裂纹虽导致叶片固有频率降低，但对整机宏观振动响应影响微弱，难以形成强辨识特征；而碰摩故障则引发显著瞬态冲击，在整机信号中表现为冲击脉冲、丰富的转频高次谐波及转频与叶片固有频率的组合成分，且冲击能量沿机匣由碰摩点向远端衰减传播。在复合故障下，振动响应呈现两类特征的叠加与交互：气流激励与碰摩共同作用不仅保留共振频率，还激发出更多高阶模态组合频率和复杂谐波结构。值得注意的是，裂纹在各类工况中主要表现为引起叶片固有频率下降，未产生独立新特征。此外，裂纹扩展演化研究证实，叶片固有频率的持续下降可作为在线监测裂纹扩展的有效指标。研究为复合故障机理认知与工程诊断方法开发提供了重要基础。
       （4）针对航空发动机中叶片裂纹与机匣碰摩共存的复合故障诊断难题，本文系统开展了基于机匣加速度信号的特征提取与判别方法研究。首先，针对裂纹引起的固有频率微小偏移难以直接识别的问题，提出一种以组合频率强度指标为核心的共振转速反演方法。该方法将频域中微弱的频率变化转化为转速域中显著的共振点偏移，实现了无需安装应变片的高灵敏度裂纹检测。其次，针对碰摩特征微弱、易被噪声淹没的加速度测点信号，提出一种基于遗传算法优化频带的信号增强策略，融合自相关分析与倒频谱特征，有效提升了轻度碰摩故障的检出能力与鲁棒性。在此基础上，构建了一套面向复合故障场景的分层诊断流程：在确认碰摩存在的前提下，利用碰摩冲击所激发的宽频响应，从机匣振动信号中提取由碰摩激励出的叶片高阶模态组合频率成分，并据此反演叶片固有频率的变化，从而实现对裂纹损伤的准确判别。试验结果表明，所提方法能有效区分无故障、单一裂纹、单一碰摩及裂纹–碰摩复合故障等多类工况。