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1、避T圆反航文学Civil Aviation University of China航空发动机强度与振动课程设计报告姓学班专名:号:级:业：指导教师:201年月课程设计报告基于ANSYS WORKBENCH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
2、、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， 以及先进的SPF/DBfi合工艺技术1,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 起的故障占总故障的60%U上，其中叶片振动故障占总振动故障的 70姒上2。 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。本文考虑了离心载荷和稳态气动
3、载荷共同作用的影响 3 ,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、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2窄弦实心图1宽弦实心叶片图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
4、计的钛合金金宽弦风扇叶片，几何造型比较复杂，通过燕尾桦梢连接，材料 TC4钛合金宽弦风扇叶片弯扭成形，叶身高度为600 mm初始扭车专角度为 61.304度，叶片数目为225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 片中间有8根支柱6。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/ m31121.068 M10 N /m20.32
5、825MPa895MPa1.2网格模型对模型进行有限元网格划分，对于叶片进行整体网格划分，设置最小化分单 元为0.5mm其中叶片包含121669单元，192596节点。空心叶片91496单元, 182997节点。窄弦叶片87140单元，138560节点。3 0 300 (m)5宽弦实心叶片网格图图6宽弦实心叶片局部网格图图#图7宽弦空心叶片横截面网格图图8窄弦叶片网格图表2 空、实心叶片属性比较叶片类型质量总质量减轻KGKG实心7.6413kg0空心3.6182kg88.5082窄弦5.4357kg83.8128夹层空心4.0101kg79.8864二、叶片的强度分析2.1边界条件在发动机工作
6、时，风扇叶片承受的载荷主要有离心力载荷、气动力载荷、以及一定的热负荷和振动负荷。对于风扇叶片，由于工作温度较低，且温度分布 比较均匀，所以在加载中忽略热负荷。由于该型风扇叶片为宽弦叶片，振动水 平比较低，故振动负荷不考虑，只计算主要的载荷离心力和气动力对风扇叶片 强度的影响。一般假设：为了简化计算过程，我们作如下假设：1）把风扇叶片看作根部完全固定的悬臂梁，施加约束时，将桦头底部完全 固定。2）风扇叶片仅承受自身质量离心力载荷和横向气体力载荷，不考虑热负荷 和振动负荷的影响。3）近似认为作用在风扇叶片上的气体力载荷是均匀分布的。由于非稳态气动载荷及机械结构激励的复杂性，本文在进行叶片振动分析时
7、 仅考虑叶片所受的离心和稳态气动载荷的影响。在有限元分析中，叶片的离心 载荷通过对叶片施加绕旋转轴的额定转速来实现，气动载荷通过工作点化简计算得到。发动机的工作状态是变化的，飞行速度和高度不同，则进入发动机的空气温 度，压力和流量都会改变，发动机的转速也时常发生改变。这些都将引起风扇 叶片上所受的负荷发生变化。因此风扇叶片上的应力情况将随发动机的不同工作状态而变化，本文仅选取风扇叶片最可能出现危险情况的一种工作状态：低空 低温高速飞行状态，进行静力分析和强度校核。根据某型发动机的设计要求，当发动机处在低空低温高速飞行状态时，部分 工作参数如表3所示。表3发动机工作参数表飞行高度H飞行速度V发动
8、机转速Ni风扇进口空气流量Qm风扇进口气流速度Vi风扇出口气流速度V20207m/s4350r / min251kg/s207m/s347m/s根据动量定理可知，单位时间内流过风扇的气体的动量的改变量等于风扇作用给气体力。而其反作用力就是风扇所受到的气体力。由动量定理得Ft = MV2 - MV1式中 M =QMt Vi=V=207m/s V2 =347m/s故风扇作用给气体的力为：F =QmM -V1）二251 父（347-207 ）=35140N则风扇受到的气体力Fi=F=35140N,该风扇有22片叶片，那么单个风扇叶片受 到的气体力为：F2 = F1 /22 =1597.3 N(3)根
9、据前面的假设，认为式(3)中F2平均分布在叶片表面，通过几何模型可以确定风扇叶片受力面的面积为 A=0.15049609m 2 ,则叶片表面上的平均压力为：P =F2/A =10613.56Pa(4)离心力的载荷，是直接在 ANASYS WORKBENCH下，对风扇叶片的有限元模型施加一个绕发动机轴线的转速，以代替离心力载荷，其中 Y轴就代表发动机的旋转轴。取发动机最大转速 Ni =4000r/min或者co = 418.88rad / s根据叶片结构特点，将叶片看作是一个固支的悬臂梁。叶片采用燕尾式样头， 所以对于叶片的约束方法是，桦头的底面和侧面设置为固定约束，以限制该面 的位移。2.2应
10、力图、位移图0,300 (m)囱应力打济EqurvAlent StressT/pe: Equivalent on-Nises) Strei? Unit： Pa Tim bi 1 20L5/12/31 atMJ33s正科 Max 6.5239e 5L70B4c6 4-8929e8 由了再铺 a.262e 2A465e6 1j631c8 &1549e7 0 Min图9实心叶片应力分布及最大点位置0.150国应力分析Total DefarrnationType: Total DeformationUnit： mTimer 12015/12/31 2 04 2 0.02200S Ma0.0195610
11、J317U60J14671.0ml2225OJ3097803| 0073353B 0)0489020.00244510 Min图10实心叶片位移分布及最大点位置2.3应力图、位移图分析从图9中可以看出由于宽弦风扇叶片受到气流冲击和离心力的作用在叶片叶 根处的应力最大，因为叶片是相当于根部固装的悬臂梁，受到离心力和气体力 的作用下，会在叶根处形成大的应力；从图 10中可以看出在工作状态，在工作 状态，由于宽弦风扇叶片受到气流冲击和离心力的作用，在叶片的叶尖处速度 最高，因此，叶片的最大位移位于叶尖处，由叶身的颜色变化可以看出叶身的 位移沿径向逐渐降低，在质心以下接近叶片座处，即叶片桦头处，位移为
12、零。三、风扇叶片的振动特征分析3.1 风扇叶片的固有振动频率宽弦风扇叶片叶根处固支，风扇叶片的工作转速在0 5000RPM之间。风扇叶片在静止状态和最大转速下（包括离心力强化效果）的频率见表4。表4风扇叶片在不同转速下固有频率阶次形式载荷固有频率0100020003000400050001一弯离心41.97647.40960.29876.13892.929110.02离心+气动47.45260.3376.16292.949110.042一弯离心135.82141.26156.27177.8202.61228.07离心+气动141.55156.55178.06202.87228.343一扭离心3
13、00.92301.96305.08310.31317.85328.04离心+气动302.32305.42310.64318.15328.314二弯离心366.54371.86387.07410.21438.63469.64离心+气动372.21387.42410.56438.98469.993.1.1叶片动态模态分析叶片的频率计算包括不加载时固有频率和受载变形后的固有频率，为了绘制分析叶片共振特性的坎贝尔图7 ,选取包括发动机未启动在内的6种工况进行 叶片固有频率计算，结果见表 4由表4显示，随着转速的升高，叶片的固有频率增大，这是受载后叶片整 体刚度增大所致。从表中还可发现，低转速工况下，叶
14、片前 3阶固有频率在只 考虑离心载荷作用时的变化幅度要大于同时考虑离心和气动载荷的作用。因此， 考虑气动载荷和离心载荷的共同作用能够有效提高计算结果的准确性，计算结 果也更接近工程实际。文章后续计算部分均考虑离心及气动载荷的共同作用。3.1.2风扇叶片的振型下图分别为宽弦实心风扇叶片一至六阶振型图。C：而应力的模态仃析Total DefarrnationType: Total DeformationFrequency： 92.949 HzUnit: m 20L5/12/31 2 0力 10.9146 MawQM2980JU360J&09740.508110406490304870203250101620 Min#0.150二阶C有预应力的模态分析 Totdl Defarmation 2 T)pe: Total Deformation F
