某发动机叶片振动特性的有限元分析

某发动机叶片振动特性的有限元分析

1新型复合材料叶片目前，由于叶片长、负荷和抗冲击损伤能力的需要，现用式电机叶片均采用钢叶片。但是,这种状况难以适应未来高性能发动机的要求。为此,我们正在研制一种新型复合材料的发动机叶片。本文运用大型通用有限元分析软件ANSYS,对该叶片进行了模态分析,仿真计算出其固有频率和振型,为该叶片的设计和进一步研究奠定了良好的基础。2叶片模型的构建2.1计算模型选取如图1所示,该叶片为弧形壳结构,叶身左侧高度为10.44cm,右侧高度为10.44+0.44+0.44=11.32cm,中间最大厚度为7.42cm,两侧最小厚度为0.02cm。2.2材料和物理叶片采用树脂基复合材料,密度为1452kg/m3,弹性模量为33.513GPa,泊松比为0.142。2.3/最佳模型的建立因该叶片结构复杂,其实体模型在ANSYS中难以建立,故采用以下办法得到实体模型:(1)在大型集成化机械CAD/CAM商用软件UG中建立其模型(图1);(2)从UGNX2.0中导出Parasolid文件(后缀名为.x＿t);(3)将Parasolid文件导入ANSYS。导入后的模型丢失了一定的数据,出现只有3个面,没有体,有些边角结构不合理等情况,严重影响网格划分。于是我们对该模型进行了一系列的修改及简化操作,最后得到其实体模型。3叶片有限模型的构建3.1不同中间节点的选取适合于该叶片的单元类型有SOLID45,SOLID95,SOLID186。其中,SOLID45具有8个中间节点,SOLID95和SOLID186具有20个中间节点。从理论上讲,中间节点越多,划分精度越高,ANSYS分析得到的结果就越准确。由此判断,SOLID186或SOLID95更适合于该叶片。在实际操作中,笔者也曾经尝试选用SOLID186或SOLID95进行网格划分,但由于该模型本身的复杂性,划分结果很不理想,甚至出现无法划分的情况。因此,本文选取SOLID45单元进行分析。SOLID45单元是一种空间实体单元,具有塑性、蠕变、应力强化、大变形和大应变的功能。该单元具有八个结点,每个结点具有六个自由度。3.2表面织构类型化并呈不规则的区域实体外形定义完毕后,再将它分成小网格(Mesh)以供后续分析计算。网格分得越细,所计算的结果误差越小,但所需要的时间越长。总的来说,ANSYS的网格划分有两种。第一种是自由划分网格(Freemeshing),主要用于划分边界形状不规则的区域,它所生成的网格相互之间是呈不规则的排列的。常常对于复杂形状的边界选择自由划分网格,它的缺点是分析精度往往不够高。第二种是映射网格划分(Mappedmeshing),该方法是将规则的形状(如正方形、三棱柱等)映射到不规则的区域(如畸变的四边形、底面不是正多边形的棱柱等)上面,它所生成的网格相互之间呈规则的排列,分析的精度也很高。从以上叙述可知,网格划分为该叶片模态分析的关键,但同时也是难点。由于该叶片本身的结构特点,其实体模型的网格划分存在很大困难。笔者曾经尝试过很多方法,经过多次对比分析,最后用映射网格划分得到了比较合理的有限元模型,如图2所示。该模型共分为29524个节点,21600个单元。从图2可知,该网格划分比较细密,弥补了选取SOLID45单元带来的不足。3.3叶片模态分析通常发动机叶片固定在轮毂上,所以采用底部固支模拟其边界条件。ANSYS的模态分析中,模态提取的方法很多,有分块兰索斯法(BlockLanczos)、凝聚法、非对称法、阻尼法和QR阻尼法等,由于分块兰索斯法具有求解精度高、计算速度快等优点,并且适合大型对称特征值求解问题,所以对叶片的模态分析采用兰索斯法。4叶片振动特性的有限结论和解释在上述工作的基础之上,我们对该叶片进行了模态分析,其前五阶振型如图3所示。(1)第一次振动频率为4074.2Hz,振型表现为叶片上下摆振。(2)二次振动频率为11840Hz,振型表现为叶片呈波浪上下摆振。(3)三阶振动频率为14450Hz,振型表现为叶片上下扭转。(4)四阶振动频率为24652Hz,振型表现为叶片呈波浪上下扭转。(5)5阶振动频率为27974Hz,振型表现为叶片呈波浪上下摆振。5ug中建立有限元模型在本文中,我们在有限元分析软件ANSYS平台上对某发动机叶片进行了模态分析,仿真计算出该叶片的固有频率和振型,同时探索得到一些方法,现总结如下:(1)ANSYS是一种功能强大的有限元分析软件,但其建模技术不够完美,为了得到理想的实体模型,我们采用了在UG中建模,导入ANSYS进行修改再建立有限元模型的方法。实践证明,该方法适合于本叶片的模态分析。(2)单元的选取是模态分析的一个关键,一般说来,中间节点越多,网格划分精度越高,ANSYS分析得到的结果就越准确。但在实际操作中,应该根据分析对象的实际情况,综合考虑各种因素,确定最合适的单元。在本文中,结合该