基于流固耦合的钛合金风扇叶片振动特性分析.pdf
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1、6工程机械与维修TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修0 引言发动机风扇叶片的工作环境恶劣,除受自身离心载荷外,还受多种非定常载荷作用,极易引发叶片的颤振,严重时甚至导致叶片疲劳折断。对此业界一般对叶片进行模态测试,并借助 Campbell 图寻找共振转速,以避免振动可能带来的结构强度问题1。除受上述载荷外,叶片还会与流动空气间发生强烈的耦合作用,进而对叶片的振动特性带来不可忽略的影响,因此在进行叶片振动特性分析时,需考虑气动力的影响。近年来,有限元仿真方法逐渐成为了分析叶片振动问题的主要手段2。瞿红春等3对某发动机风扇实心叶片进行了模态仿真与测试,验证了该风扇叶片具有良好的裕度
2、。王仲林等4对某钛合金宽弦风扇实心叶片的转速裕度和频率裕度进行了计算校核,探究了该风扇叶片的振动力学特性。A.Salnikov 等5构建了某空心风扇叶片,对其进行了模态仿真,并对叶片的各项振动特性参数进行了横向对比分析。M.Nikhamkin 等6采用了仿真冲击模态分析法,验证了某空心风扇叶片具有特殊的自然振动模式。上述研究较完整的展现了各类风扇叶片的振动特性,但并未考虑气动力对叶片振动特性的影响。在风扇高速旋转作用下,流动空气与叶片之间的流固耦合效应,会给叶片的振动特性带来不可忽略的影响7,考虑气动力对叶片模态影响,才可使共振仿真分析结果更符合实际工况,对应的仿真结果才更具参考价值8。基于此
3、,本文以某发动机风扇叶片为研究对象,采用ANSYS Workbench 软件建立了叶片及其流场计算模型,采用基于流固耦合的钛合金风扇叶片振动特性分析李国举1 王宪1 郑邓浩1 尹莉萍2 张昕喆1(1.郑州航空工业管理学院航空宇航学院,郑州 450046 2.郑州航空工业管理学院发动机学院,郑州 450046)摘要:发动机风扇叶片转子在高速转动过程中,与流动空气耦合产生的激振力,可导致叶片发生颤振现象,严重时会使叶片发生共振导致折断。为规避共振可能带来的严重后果,需采用流固耦合方法对叶片进行共振裕度分析,确定合理的转速区间。构建风扇叶片和其空气流域的有限元计算模型,采用流固耦合仿真方法对叶片进行
4、了静强度校核和模态仿真分析。在此基础上,借助 Campbell 图进一步对其共振裕度进行了分析。仿真结果表明:相对其他部位,钛合金风扇叶片的边缘处振动幅度较大;在转速为 20003318r/min 时,该风扇叶片具有良好的共振裕度。关键词:模态;共振裕度;流固耦合;有限元;Campbell 图基金项目:国家自然科学基金(52206059)河南省科技攻关项目(212102210109;222102320453;222102240028;232102240090)单向流固耦合方法9对风扇叶片进行振动特性分析,识别其弯扭振型。并进一步借助该 Campbell 共振图计算共振裕度,确定该叶片的合理转速
5、区间以规避共振点。1 叶片流固耦合振动方程与有限元模型1.1 模态数值计算方法基本理论根据牛顿第二定律,叶片固体域系统的运动可由下式进行描述:(1)式中,M为叶片系统质量矩阵;C为叶片阻尼矩阵;K为叶片刚度矩阵;u,u,分别是叶片节点的位移矢量、速度矢量和加速度矢量。式(1)中描述的是叶片初始为静止时的运动,然而叶片在流固耦合效应下会受到预应力,且叶片刚度随转速增大也会发生改变,因此需对式(1)进行补充,增添离心力、气动力与结构预应力矩阵,补充后如式(2)所示:(2)式中:Ma为气体等效质量矩阵;a为气体密度;A为流固耦合矩阵;Kr为离心应力刚度矩阵;Ka为气体等效刚度矩阵;V为旋转预应力效应
6、矩阵;v为耦合流场作用等效位移;为结构外载荷向量。解该方程,所得特征值即为叶片固有频率,特征值对应的解向量即为叶片的振型。1.2 风扇叶片和其空气流域的有限元计算模型将建模平台中的叶片三维实体模型,导入至 ANSYS TECHNOLOGY&MAINTENANCE技术维修CM&M 2023.047Workbench 中进行网格剖分,得到其有限元网格模型如图 1 所示。该叶片有限元模型共有 143226 个单元。叶片材料10为 Ti-6Al-4V,密度为 4429kg/m3,屈服应力为950MPa,泊松比为 0.34。图 2 为建立的叶片扇形空气域流体网格模型,来流方向尺寸为 921mm,扇面半径
7、尺寸为 610mn,网格整体尺寸设置为 8mm,得到的流体网格 535854 个。流场边界条件参数11如下:来流湍流度为 5%,出口压力为101kPa,进口总温 293K。设置整个区域内的质量流量为35kg/s12。通过 FLUENT 求解获得叶片外轮廓分布的气动力。将获得气动力作为预载,通过插值方法施加到叶片结构网格后,再进行振动特性分析,从而可实现对风扇叶片在流固耦合效应下频率裕度校核。2 钛合金风扇叶片共振特性分析2.1 风扇叶片静强度分析风扇叶片在高速旋转过程中,会受到自身几何结构约束下的离心力和切割空气形成的气动力影响。若叶片的转速过大,则会造成叶片应力接近甚至超过叶片材料的屈服应力
8、,严重时造成叶片断裂。因此,应当首先确定考虑气动力时叶片自身能承受的最大转速,然后在此转速内开展对叶片的振动特性分析。经计算,该叶片在考虑气动力时转速为 3600r/min 下的等效应力分布如图 3 所示。当叶片转速为 3600r/min且受到质量流量为 35kg/s 的气流冲击时,叶片吸力面靠近叶根处受到的应力最大,达到了 763MPa,且应力值沿叶片径向逐渐减小。相对于吸力面,压力面靠近叶根处的应力值较小,约为 560MPa。此外,压力面的叶中部位处应力值较高,这是由于压力面承担了较多的气动载荷所造成的。由于叶片在 3600r/min 时所受最大等效应力为 763MPa,已达叶片材料屈服应
9、力的 80,本文确定3600r/min作为叶片最大转速并对其进行模态仿真分析。2.2 风扇叶片不同转速下的模态仿真分析为识别转速变化对叶片振型的影响,分别对叶片静止和 3600r/min 两种工况下的前 6 阶模态提取,如图 4和图 5 所示。由以上两种工况下风扇叶片的各阶振型图可知,叶片第1阶振型为横向轮廓线,说明叶片做弯曲振动,如图 4、图 5 中的 Mode1 所示。第 2、3 振型主要为纵向轮廓线,说明叶片做扭转振动,如图 4、图 5 中的 Mode2、Mode3所示;第 4、5、6 阶振型出现不规则轮廓线,说明叶片此时的振型是含有弯曲和扭转的高阶复合振型,如图4、图 5 中的 Mod
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