航空發(fā)動機強度與振動參考模板

1、航空發(fā)動機強度與振動 課 程 設(shè) 計 報 告題目及要求題目 基于 ANSYS 的葉片強度與振動分析1.葉片模型 研究對象為壓氣機葉片，葉片所用材料為 TC4 鈦合金，相關(guān)參數(shù)如下： 材料密度：4400kg/m3 彈性模量：1.09*1011Pa泊松比 ： 0.34 屈服應(yīng)力：820Mpa 葉片模型如圖 1 所示。把葉片簡化為根部固裝的等截2 / 18面懸臂梁。葉型由葉背和葉盆兩條曲線組成，可由每條曲線上 4 個點通過 spline（樣條曲線）功能生成，各點位置如圖 2 所示，其坐標如表 1 所示。 注：葉片尾緣過薄，可以對尾緣進行修改，設(shè)置一定的圓角2.葉片的靜力分析 （1）葉片在轉(zhuǎn)速為 15

2、00rad/s 下的靜力分析。 要求：得到 von Mises 等效應(yīng)力分布圖，對葉片應(yīng)力分布進行分析說明。并計算葉片的安全系數(shù)，進行強度校核。3.葉片的振動分析 （1）葉片靜頻計算與分析 要求：給出 1 到 6 階的葉片振型圖，并說明其對應(yīng)振動類型。 （2）葉片動頻計算與分析 要求：列表給出葉片在轉(zhuǎn)速為 500rad/s，1000rad/s,1500rad/s, 2000rad/s 下的動頻值。 （3）共振分析 要求：根據(jù)前面的計算結(jié)果，做出葉片共振圖（或稱 Campbell 圖） ，找出葉片的共振點及共振轉(zhuǎn)速。因為葉片一彎、二彎、一扭振動比較危險，故只對這些情況進行共振分析。3. 按要求撰

3、寫課程設(shè)計報告 說明：網(wǎng)格劃分必須保證結(jié)果具有一定精度。各輸出結(jié)果圖形必須用 ANSYS 的圖片輸出功能，不允許截圖，即圖片背景不能為黑色。 課程設(shè)計報告基于 ANSYS 的葉片強度與振動分析1. ANSYS 有限元分析的一般步驟（1）前處理前處理的目的是建立一個符合實際情況的結(jié)構(gòu)有限元模型。在Preprocessor 處理器中進行。包括：分析環(huán)境設(shè)置（指定分析工作名稱、分析標題）、定義單元類型、定義實常數(shù)、定義材料屬性（如線彈性材料的彈性模量、泊松比、密度）、建立幾何模型（一般用自底向上建模：先定義關(guān)鍵點，由這些點連成線，由線組成面，再由線形成體）、對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的劃分往往越密

4、集所求應(yīng)力分布越明顯，但為了電腦計算方便，運行速度快一點，本次設(shè)計共劃分50個網(wǎng)格（分為三個步驟：賦予單元屬性、指定網(wǎng)格劃分密度、網(wǎng)格劃分）在本課程設(shè)計中，先在Preferences中定義了所要研究的對象是structural（結(jié)構(gòu)），然后在Preprocessor中定義材料的類型為structural solid->Brick 8node 50再設(shè)定材料密度為DENS=4400kg/m3，彈性模量為EX=，泊松比為PRXY=0.34。最后根據(jù)葉片在空間的擺放位置創(chuàng)建關(guān)鍵點（Keypoints）,然后依次建立面（Areas）->體(Volumes)。（2）施加載荷、設(shè)置求解選項并求

5、解這些工作通過Solution處理器來實現(xiàn)。指定分析類型（靜力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力分析、譜分析等）、設(shè)置分析選項（不同分析類型設(shè)置不同選項，有非線性選項設(shè)置、線性設(shè)置和求解器設(shè)置）、設(shè)置載荷步選項(包括時間、子步數(shù)、載荷步、平衡迭代次數(shù)和輸出控制)、加載（ANSYS結(jié)構(gòu)分析的載荷包括位移約束、集中力、面載荷、體載荷、慣性力、耦合場載荷，將其施加于幾何模型的關(guān)鍵點、線、面、體上）然后求解。在本課程設(shè)計中，靜力分析時要固定底面邊界，施加1500rad/s繞X軸的轉(zhuǎn)速；模態(tài)分析中的靜頻分析時要固定底面邊界，設(shè)定6階最大階數(shù)，然后求解（solve），最后查看結(jié)果;模態(tài)分析中的動頻分析時

6、要固定底面邊界，先在static分析類型中第一次求解（solve）出對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的離心拉伸應(yīng)力，然后再到modal分析中第二次求解（solve）出動頻值，求解時要考慮離心拉伸應(yīng)力的影響。（3）后處理當完成計算以后，通過后處理模塊General Postproc查看結(jié)果。ANSYS軟件的后處理模塊包括通用后處理模塊（POST1）和時間歷程后處理模塊(POST26)?？梢暂p松獲得求解計算結(jié)果，包括位移、溫度、應(yīng)變、熱流等，還可以對結(jié)果進行數(shù)學(xué)運算，然后以圖形或者數(shù)據(jù)列表的形式輸出。結(jié)構(gòu)的變形圖、內(nèi)力圖（軸力圖、彎矩圖、剪力圖），各節(jié)點的位移、應(yīng)力、應(yīng)變，還有位移應(yīng)力應(yīng)變云圖都可以得出，為我們分析問題

7、提供重要依據(jù)。在本課程設(shè)計中，主要是通過后處理模塊查看葉片變形的位移振動圖（DOF solution）和von Mises等效應(yīng)力分布圖(stress)。算出的動頻值結(jié)果可以在Results summary中查看，另外還可以通過菜單欄中的PlotCtrls->Hard Copy->To File.中輸出白底色圖片和PlotCtrls->Animate->mode shape中輸出動畫。2.葉片的靜力分析 圖1 轉(zhuǎn)速為500rad/s時葉片等效應(yīng)力分布圖圖2 轉(zhuǎn)速為500rad/s時葉片變形的位移振動圖分析：理論上葉片自上到下應(yīng)力應(yīng)該逐漸增大，最小應(yīng)力MX發(fā)生在葉尖部，最

8、大應(yīng)力MN發(fā)生在葉根部。因為在這里葉片可以簡化的看成根部完全固裝的等截面懸臂桿。把葉片網(wǎng)格劃分成有限個微元單元體后，在1500rad/s離心力的作用下，靠近外層的微元單元體所受到的外側(cè)材料的總的離心應(yīng)力較小，越靠近根部時，截面外側(cè)所有材料的離心力都將加載到該截面上，所以越靠近根部，截面所受到的總的離心應(yīng)力就越大。用ANSYS軟件建模求解后，所得到的葉片應(yīng)力分布圖大致符合理論分析。最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉根后緣，其應(yīng)力為1.83*109Pa，而鈦合金的屈服應(yīng)力為8.2*108Pa，其安全系數(shù)為ns=8.2*108Pa/1.83*109Pa=0.45。也就是說，其最大應(yīng)力超過了材料的區(qū)服極限。3.葉片的振

9、動分析 （1）葉片靜頻計算與分析 基于ANSYS14.5.7軟件的計算過程：先是建立葉片模型，建模過程中要通過關(guān)鍵點確定它在空間中的精確的相對位置；然后是選擇模態(tài)分析（modal），接著設(shè)定6階模態(tài)分析，固定底面邊界，然后是求解（solve）；最后通過Read Results和Plot Results查看1-6階各階振動位移圖（DOF solutions）,結(jié)果如下：一階振型圖，屬于一階彎曲振動二階振型圖，屬于一階扭轉(zhuǎn)振動三階振型圖，屬于二階彎曲振動四階振型圖，屬于伸縮振動五階振型圖，屬于彎曲扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動六階振型圖，屬于彎曲扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動總結(jié)：除彎曲和扭轉(zhuǎn)振動外，在葉片上還會出現(xiàn)許多其他振型。其

10、中有彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合振型，有些振動還難以給以命名。在這些振型中，其中一階彎曲振動、二階彎曲振動、一階扭轉(zhuǎn)振動較為常見，危險性也最大。對于壓氣機葉片而言，最重要的是一、二彎和一扭振型；對于渦輪葉片，大多是一彎和一扭振型。（2）葉片動頻計算與分析基于ANSYS14.5.7軟件的計算過程：首先也是建立葉片模型（六面體），建模過程中也要通過關(guān)鍵點確定它在空間中的精確的相對位置（可以精確地繞X軸旋轉(zhuǎn)）；然后是選擇靜態(tài)分析（static）,計算前要勾選考慮預(yù)應(yīng)力的影響，把第一次solve求解出的對應(yīng)轉(zhuǎn)速的離心應(yīng)力關(guān)聯(lián)到下一步的模態(tài)分析中；再然后是選擇模態(tài)分析（modal），勾選考慮預(yù)應(yīng)力的影響，設(shè)定6階模

11、態(tài)分析，固定底面邊界，然后是第二次求解（solve）；最后通過Results Summary查看1-6階的對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的動頻值，將結(jié)果列表如下：轉(zhuǎn)速階數(shù) (rad/s)1階2階3階4階5階6階0279.741434.31701.82277.34061.04524.4500358.711463.71785.2 2288.14141.04605.61000537.581504.32095.02257.13825.04631.51500722.851650.02355.42373.74629.35258.82000927.391786.42442.02758.84955.15781.8表一各轉(zhuǎn)速下各階

12、振型的振動頻率值表二倍頻力的頻率值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系（3）共振分析 圖1坎貝爾圖觀察上面的葉片共振圖(即坎貝爾圖)，現(xiàn)對共振現(xiàn)象進行分析：作用在葉片上的一個局部的沖擊力可以看作是許多諧力之和，諧力的頻率為轉(zhuǎn)速的1、2、3倍?；蚍Q這些力為1、2、3倍頻力。倍頻力也就是所謂的激振力，它可以分為兩類：機械激振力和氣動激振力。前者是由于輪盤有振動，因而搖動葉片根部，使葉片發(fā)生振動。通常稱為“位移激振”或“位移激擾”；后者是由于氣流對葉片表面的壓強做周期性的變化，激起葉片振動。局部障礙將引起各種頻率的激振力，其中任一個的頻率與鄰近葉片的任一振型的自振頻率重合時，都會發(fā)生“共振”，可能導(dǎo)致危險。注意到葉片的自振頻率也隨轉(zhuǎn)速而改變，葉片究竟在哪個轉(zhuǎn)速下發(fā)生共振，則可以由共振圖（坎貝爾圖）來說明。為了使坎貝爾圖更加直觀，更詳細的了解最危險截面的共振點，在這里我們僅用一彎，一扭，二彎和K=2,K=4,K=5,K=8,K=12這幾個數(shù)據(jù)進行繪圖研究。如圖一所繪，其中橫坐標為轉(zhuǎn)速，單位rad/s，縱坐標為頻率，單位Hz。在某一轉(zhuǎn)速下，當激振力的頻率值和葉片固有的自振頻率值（靜頻值或動頻值）相同時，也就是上圖中射線和上升曲線的相交點位置對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，葉片就會發(fā)生“共振”現(xiàn)象。發(fā)生共振時會損壞葉片，葉片的振動甚