航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度與振動(dòng)參考模板

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度與振動(dòng) 課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告題目及要求題目 基于 ANSYS 的葉片強(qiáng)度與振動(dòng)分析1.葉片模型 研究對(duì)象為壓氣機(jī)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(jiǎn)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(gè)點(diǎn)通過 spline（樣條曲線）功能生成，各點(diǎn)位置如圖 2 所示，其坐標(biāo)如表 1 所示。 注：葉片尾緣過薄，可以對(duì)尾緣進(jìn)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(duì)葉片應(yīng)力分布進(jìn)行分析說明。并計(jì)算葉片的安全系數(shù)，進(jìn)行強(qiáng)度校核。3.葉片的振動(dòng)分析 （1）葉片靜頻計(jì)算與分析 要求：給出 1 到 6 階的葉片振型圖，并說明其對(duì)應(yīng)振動(dòng)類型。 （2）葉片動(dòng)頻計(jì)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(dòng)頻值。 （3）共振分析 要求：根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，做出葉片共振圖（或稱 Campbell 圖） ，找出葉片的共振點(diǎn)及共振轉(zhuǎn)速。因?yàn)槿~片一彎、二彎、一扭振動(dòng)比較危險(xiǎn)，故只對(duì)這些情況進(jìn)行共振分析。3. 按要求撰

3、寫課程設(shè)計(jì)報(bào)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(jì)報(bào)告基于 ANSYS 的葉片強(qiáng)度與振動(dòng)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(gè)符合實(shí)際情況的結(jié)構(gòu)有限元模型。在Preprocessor 處理器中進(jìn)行。包括：分析環(huán)境設(shè)置（指定分析工作名稱、分析標(biāo)題）、定義單元類型、定義實(shí)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(diǎn)，由這些點(diǎn)連成線，由線組成面，再由線形成體）、對(duì)幾何模型進(jìn)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(jì)算方便，運(yùn)行速度快一點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)共劃分50個(gè)網(wǎng)格（分為三個(gè)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(jì)中，先在Preferences中定義了所要研究的對(duì)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(diǎn)（Keypoints）,然后依次建立面（Areas）->體(Volumes)。（2）施加載荷、設(shè)置求解選項(xiàng)并求

5、解這些工作通過Solution處理器來實(shí)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(dòng)力分析、譜分析等）、設(shè)置分析選項(xiàng)（不同分析類型設(shè)置不同選項(xiàng)，有非線性選項(xiàng)設(shè)置、線性設(shè)置和求解器設(shè)置）、設(shè)置載荷步選項(xiàng)(包括時(shí)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(chǎng)載荷，將其施加于幾何模型的關(guān)鍵點(diǎn)、線、面、體上）然后求解。在本課程設(shè)計(jì)中，靜力分析時(shí)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(shí)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(dòng)頻分析時(shí)

6、要固定底面邊界，先在static分析類型中第一次求解（solve）出對(duì)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(dòng)頻值，求解時(shí)要考慮離心拉伸應(yīng)力的影響。（3）后處理當(dāng)完成計(jì)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(shí)間歷程后處理模塊(POST26)?？梢暂p松獲得求解計(jì)算結(jié)果，包括位移、溫度、應(yīng)變、熱流等，還可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)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(diǎn)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變，還有位移應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D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(jì)中，主要是通過后處理模塊查看葉片變形的位移振動(dòng)圖（DOF solution）和von Mises等效應(yīng)力分布圖(stress)。算出的動(dòng)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(dòng)畫。2.葉片的靜力分析 圖1 轉(zhuǎn)速為500rad/s時(shí)葉片等效應(yīng)力分布圖圖2 轉(zhuǎn)速為500rad/s時(shí)葉片變形的位移振動(dòng)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?yàn)樵谶@里葉片可以簡(jiǎn)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(gè)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(shí)，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(dòng)分析 （1）葉片靜頻計(jì)算與分析 基于ANSYS14.5.7軟件的計(jì)算過程：先是建立葉片模型，建模過程中要通過關(guān)鍵點(diǎn)確定它在空間中的精確的相對(duì)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(dòng)位移圖（DOF solutions）,結(jié)果如下：一階振型圖，屬于一階彎曲振動(dòng)二階振型圖，屬于一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)三階振型圖，屬于二階彎曲振動(dòng)四階振型圖，屬于伸縮振動(dòng)五階振型圖，屬于彎曲扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動(dòng)六階振型圖，屬于彎曲扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動(dòng)總結(jié)：除彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)外，在葉片上還會(huì)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(dòng)還難以給以命名。在這些振型中，其中一階彎曲振動(dòng)、二階彎曲振動(dòng)、一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)較為常見，危險(xiǎn)性也最大。對(duì)于壓氣機(jī)葉片而言，最重要的是一、二彎和一扭振型；對(duì)于渦輪葉片，大多是一彎和一扭振型。（2）葉片動(dòng)頻計(jì)算與分析基于ANSYS14.5.7軟件的計(jì)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(diǎn)確定它在空間中的精確的相對(duì)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(jì)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(duì)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(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的動(dòng)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(dòng)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(duì)共振現(xiàn)象進(jìn)行分析：作用在葉片上的一個(gè)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(jī)械激振力和氣動(dòng)激振力。前者是由于輪盤有振動(dòng)，因而搖動(dòng)葉片根部，使葉片發(fā)生振動(dòng)。通常稱為“位移激振”或“位移激擾”；后者是由于氣流對(duì)葉片表面的壓強(qiáng)做周期性的變化，激起葉片振動(dòng)。局部障礙將引起各種頻率的激振力，其中任一個(gè)的頻率與鄰近葉片的任一振型的自振頻率重合時(shí)，都會(huì)發(fā)生“共振”，可能導(dǎo)致危險(xiǎn)。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(gè)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(xì)的了解最危險(xiǎn)截面的共振點(diǎn)，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(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖研究。如圖一所繪，其中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，單位rad/s，縱坐標(biāo)為頻率，單位Hz。在某一轉(zhuǎn)速下，當(dāng)激振力的頻率值和葉片固有的自振頻率值（靜頻值或動(dòng)頻值）相同時(shí)，也就是上圖中射線和上升曲線的相交點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，葉片就會(huì)發(fā)生“共振”現(xiàn)象。發(fā)生共振時(shí)會(huì)損壞葉片，葉片的振動(dòng)甚