宽弦风扇叶片振动分析强度与振动.pdfVIP

Civil Aviation University of China 航空发动机强度与振动 课 程 设 计 报 告 姓 名： 学 号： 班 级： 专 业： 指导教师： 201 年 月 课程设计报告 基于ANSYS WORKBENCH 的宽弦风扇叶片振动分析 摘要：针对叶片的振动失效关系到整台发动机的工作可靠性的问题，基于振动 分析理论，在风扇叶片模态试验的基础上，结合有限元方法建立了叶片振动分 析模型;考虑气体与叶片的藕合作用，进行了叶片静频、动频和振动响应分析， 从而得到叶片在不同转速下的动态响应。通过比较空实心宽弦叶片和夹层叶片 自振频率得出结论，研究结果对叶片振动疲劳设计和维护、维修均有一定的指 导意义。 关键字：有限元分析、宽弦叶片、模态分析、航空发动机、动频 引言 由于宽弦空心结构的风扇叶片具有先进的气动性能、抗振能力和减重效益， [1] 以及先进的SPF/DB 组合工艺技术 ，使制造成本大为降低，所以，宽弦空心风 扇叶片也被新一代高推重比军用涡扇发动机所采用。 航空发动机风扇叶片的展弦比大、应力水平高、工作条件恶劣，以及高速旋 转产生的离心力和气流冲击引起的气动力易使叶片发生振动。发动机由振动引 [2] 起的故障占总故障的 60%以上，其中叶片振动故障占总振动故障的70%以上 。 叶片振动尤其是共振将产生较大的振动应力，易导致叶片疲劳失效。因此，振 动特性分析是研究发动机叶片减振、抗疲劳问题的关键因素。 [3] 本文考虑了离心载荷和稳态气动载荷共同作用的影响 ，通过数值模拟方法 研究了某航空发动机宽弦风扇叶片的振动特性。并且通过比较实心宽弦风扇叶 － 1 － 片、空心宽弦风扇叶片、窄弦叶片得出优缺点。通过叶片动频计算结果来确定 载荷对叶片振动频率和模态振型的影响，通过绘制叶片坎贝尔图来确定临界转 速，通过分析叶片各临界的振动特性来研究叶片振动应力分布及应力峰值的影 响因素，为进一步研究叶片振动疲劳问题奠定了基础，对叶片振动故障分析具 有一定的参考价值。 叶片的强度与振动分析 一、叶片的静力分析 1.1 给出有限元模型 叶片模型如下图所示，相关参数如下： 图1 宽弦实心叶片 图2 窄弦实心 － 2 － 图3 宽弦空心叶片横截面 图4 宽弦空心叶片纵截面 某型发动机风扇叶片是三维设计的钛合金金宽弦风扇叶片，几何造型比较复 杂，通过燕尾榫槽连接，材料 TC4 钛合金宽弦风扇叶片弯扭成形，叶身高度为 [4] [5] 600 mm，初始扭转角度为 61.30 度，叶片数目为 22 片（PW4084）。实心宽弦 风扇叶片的弦长为216.89mm，弧长为219.38mm，叶片迎风面表面积为 150496.09 平方毫米，空心宽弦风扇叶片的蒙皮厚度为 2mm，窄弦风扇叶片的弦长为 145.51mm，弧长为146.25mm，扭转角为30 度，叶片数目为38 片。空心夹层叶 [6] 片中间有8 根支柱 。 TC4 钦合金的相关材料参数如表 1 所示 材料密度 弹性模量 泊松比 屈服强度 抗拉强度 4600kg / m3 1.0681011 N / m2 0.32