ADAMS+ANSYS航空发动机叶片的动力学研究(2)

菜单

结论 29

致谢 30

参考文献 31

1 绪论

1.1 工程背景

航空发动机叶片是航空发动机重要零件之一，常常因共振而导致断裂失效,共振引起的叶片疲劳损伤故障比率往往占发动机零件疲劳故障的30%-40%。对于叶片的振动分析，现在主要研究热点为弹性体的叶片在气动力作用下产生气弹耦合振动，和其在离心力作用下的振动频率问题。振动频率是叶片振动的重要参数。“频率转向”是指当系统特征值作为一些特性参数的函数时，特征值的轨迹线趋于集中再转向分开的现象。已有研究成果表明：在旋转叶片的模态动频特性中存在极为复杂的耦合问题、频率转向问题和模态转移特性。深入研究这类问题振动问题，对于振动振型、振动频率确定、振动故障分析中断裂叶片激励阶次的确定等问题将会产生重大影响。论文网

现代发动机结构的重要特征之一是采用小展弦比的叶片设计，这类叶片会呈现复杂的频率结构和不同模态间的耦合，相应的“频率转向”以及相伴的模态耦合和模态振型转换问题，表现出与不具有“频率转向”时的叶片不同的、非常独特的耦合和振型特征。

实际上，以“频率转向”和“振型转换”为主要特征的是一类重要的耦合振动问题，不仅旋转叶片振动，而且叶盘耦合振动和许多工程振动（如板壳结构振动、转子动力学和传动带振动等）中均存在这种复杂的耦合振动问题, 因此今年来受到广泛重视。

1.2 国内外研究情况

1.3 本论文内容安排

第一章为引言（绪论），介绍了航空发动机叶片研究的工程背景，柔性多体动力学研究的发展，以及国内外在航空发动机叶片方面的研究情况，并阐述了本文的主要研究内容。

第二章介绍叶片振动的相关理论知识，包括叶片振动的基本形式、主要参数、叶片固有频率的计算及叶片共振的分析方法，为接下来的分析提供必要的理论基础。

第三章建立叶片的动力学方程。将叶片视做悬臂板，从平板的能量方程出发，根据拉格郎日动力学方程原理，考虑带有耦合变形量的薄板动力学公式，采用与叶片平板两边边界条件相应的梁函数组合级数作为假设模态法函数，推导叶片高速转动的刚柔耦合动力学方程。

第四章通过机械动力学仿真软件ADAMS与有限元ANSYS联合对典型发动机叶片进行刚柔耦合动力学建模，得到仿真模型，并进行动力学仿真计算，从而得到该叶片的各阶固有频率及固有振型。

第五章利用有限元软件ANSYS建立典型发动机叶片的仿真模型，并进行模态分析，计算该叶片在不同转速下的各阶固有频率及固有振型，并使用ORIGIN软件绘制该叶片的动频曲线图。结合制得的动频曲线图，对比叶片在不同转速下的各阶振型变化情况，研究旋转叶片的“频率转向”和“振型转换”问题，总结并归纳航空发动机叶片各阶模态间的频率转向和振型耦合的主要特点。

2 叶片振动相关理论

2.1 叶片振动对航空发动机叶片的影响

叶片的损坏绝大多数与振动有关，更确切的说，叶片损坏多属于振动强度问题，即在稳态载荷产生的稳态应力之外，还有振动产生的动应力，叶片材料在这种负荷应力作用下，耐振强度会因腐蚀、应力集中等因素的影响而显著下降，当叶片经受多次应力循环的作用，耗尽了材料的抗力，就导致“失效”。同时叶片调频不准与结构上存在应力集中等使得叶片振动严重，加速叶片的疲劳失效。