【《某航空发动机压气机叶片-轮盘系统耦合振动特性分析案例》3600字】

某航空发动机压气机叶片-轮盘系统耦合振动特性分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u6827某航空发动机压气机叶片-轮盘系统耦合振动特性分析案例 110241.1叶片-轮盘系统模型的建立 117971.1.1模型说明 1274171.1.2网格划分 2145661.1.3边界条件处理 2238221.2轮盘模态分析 353381.3叶片-轮盘系统模态分析 5230021.3.1叶盘模态分析 5312681.3.2叶片轮盘系统Campbell图 121.1叶片-轮盘系统模型的建立1.1.1模型说明如图4-1所示，同样通过查阅文献，我们建立了某航空发动机的压气机其中一级的整体叶片轮盘系统[6]的模型，在表1.1中，显示了轮盘和叶片使用的主要的材料及其某些物理参数。表1.1叶片和轮盘的主要材料及某些性能参数结构材料密度（kg/m弹性模量（GPa）泊松比叶片TA1143701130.3轮盘TC1746801120.3图4-1单独轮盘模型图4-2叶盘系统模型1.1.2网格划分在进行网格划分时，同样需要保证高精确度和高效率，跟单独叶片网格划分时类似，依旧选用的是四面体网格。该轮盘模型共有41818个单元和74152个节点，叶片轮盘整体系统模型共有144770个单元和264686个节点。图4-3单独轮盘的网格划分图4-4叶盘系统的网格划分1.1.3边界条件处理叶片轮盘系统在实际的工作过程中，一般由转轴支撑，系统会处于固定状态，因此本文在对叶片轮盘系统和单独轮盘进行模态分析时，都对轮盘的内径环面处添加位移的全约束，如图4-5、4-6所示。图4-5单独轮盘的约束图4-6叶片轮系统的约束1.2轮盘模态分析计算轮盘在设定工作转速为8000r/min的情况下，其前十阶振动的固有频率，如表1.2所示，表1.2单独轮盘系统前十阶振动的固有频率阶数固有频率/Hz阶数固有频率/Hz106457.042312.7710513313.181851.64393.4891849.95456.33101852在对叶片轮盘系统结构和单独轮盘进行模态分析时，都会出现一种“节径”振动的现象。节径振动，就是在某些阶次的模态振型下，轮盘中会出现一些线条，这些线条会穿过整个叶片轮盘系统结构。此外还有一种节圆振动现象，一般我们把不存在节径的振动叫做节圆振动。一阶振型四阶振型二阶振型三阶振型五阶振型六阶振型七阶振型八阶振型九阶振型十阶振型图4-7轮盘前十阶固有振型观察轮盘前十阶模态振型如图4-7所示，可以发现不同阶次下，模态振型的表现形式不同。第一、四阶振型呈现出一节圆振动，第一阶振型节圆位置在螺栓安装孔内侧，而第四阶节圆位置在轮盘安装孔的外侧；第二、三阶振型呈现为一节径振动，五、六阶振型呈现为二节径振动，第七、八阶振型呈现为三节径振动，第九、十阶振型呈现为四节径振动；节径数目相同的不同阶次振型，其节径位置各不相同，相差一定的角度。1.3叶片-轮盘系统模态分析1.3.1叶盘模态分析叶片轮盘耦合振动的基本振动模式分为两种：一种是节径振动，另一种是节圆振动。在低阶振动下，振型通常由节径振动或节圆振动两者其中之一进行主导；而在高阶振动下，是这两种（节径和节圆）基本的振型的复合。转子在旋转速度很高的状态下，节圆振动状态不会产生一种类似行波的振动，然而节径振动时会出现行波振动并且会产生共振现象。节径振动和节圆振动这两种基本的振动形式均会发生，但在通常情况下，由于结构破坏性的行为都与行波振动相关，而行波振动一般由节径振动产生，因此我们会更加注重研究这种节径型的振动。按照阶次顺序排布，静止时叶片轮盘系统结构的模态振型如图4-8所示，设定工作转速在8000r/min时叶片轮盘系统结构整体的振动振型如图4-9所示，设定工作转速在10000r/min时叶片轮盘系统结构整体的振动振型如图4-10所示。0节径振动1节径振动2节径振动3节径振动图4-8静止状态叶片轮盘结构的模态振型0节径振动1节径振动2节径振动3节径振动图4-98000r/min状态叶片轮盘结构的模态振型1节径振动0节径振动2节径振动3节径振动图4-1010000r/min状态叶片轮盘结构的模态振型除此之外，我们提取了转速为0r/min和8000r/min的旋转状态下，整体叶片轮盘系统前十阶振动的固有频率，如表1.3和表1.4所示，表1.3整体叶片轮盘系统0r/min下前十阶振动的固有频率阶数固有频率/Hz阶数固有频率/Hz112.6736320.622186.437361.123187.18361.134265.969366.535320.6210366.54表1.4叶片轮盘系统8000r/min转速前十阶的固有频率阶数固有频率/Hz阶数固有频率/Hz106327.412192.567361.213202.538361.224279.149366.555327.3910366.55表1.5叶片轮盘系统10000r/min转速前十阶的固有频率阶数固有频率/Hz阶数固有频率/Hz1188.236361.262210.577361.273289.288366.554330.649366.565330.6710367.2我们通过这三组整体叶片轮盘系统振动模态图的对比，分析可得：（1）整体叶片轮盘系统在不存在节径（0节径即节圆）的状态下，其振型会表现出向伞形一样的振动或者是节圆振动；但是在非0节径振动的状态下，整体叶片轮盘系统的振动振型中会呈现出很多线条的形状，这些线条会贯穿整个叶片轮盘系统结构，并且节径数目会影响线条数；（2）叶片轮盘系统在设定工作转动速度为10000r/min时振动的固有频率值大于设定工作转动速度为8000r/min时振动的固有频率值，并且都要比静止状态时振动的固有频率值大。但当阶次越来越高，固有频率值开始接近。叶片轮盘整体系统前十阶振动的固有振型如下面的图4-10所示，一阶振型二阶振型三阶振型四阶振型五阶振型六阶振型七阶振型八阶振型九阶振型十阶振型图4-10叶盘系统前十阶固有振型从图中可以看到，在同一节径下，低阶（我们选取的前十阶）固有频率是以叶片振动为主。第一阶振动振型是叶片弯曲-轮盘弯曲振动，轮盘进行的是横向弯曲振动，而叶片则会进行一阶弯曲振动，其中所有叶片都会以相同的相位振动，相位角差值为零。第二阶和第三阶振型频率相近，振型也相似，都是轮盘会做横向弯曲振动，而叶片会进行一阶弯曲振动，节径数都为一，但是各个叶片间的相位角并不相同。第二、三阶振型，都是将节径作为对称轴，在节径两侧做方向相反的振动，故我们把振动叫做反对称振动。一般来说，轮盘产生弯曲振动的原因是轴的产生了振动，这样会导致支承系统与轮盘间会产生相互作用的力矩，进而对轮盘产生危害。第四阶振动振型是叶片弯曲-轮盘扭转振动，各个叶片会以相同的相位进行弯曲振动。第四阶振型并不是节径振动，形状呈现为伞形，被称作伞形振动或节圆振动，在中间安装轮毂的地方是节圆所在的位置，叶冠变形最大的位置是在靠近轮盘外圈处，同时这种振动也会跟随轴向产生激振，进而产生沿着轮盘周向聚集的轴向力这也会对支承系统产生作用，危害结构。从第五阶到第十阶振动的振型都是相同的，都是叶片弯曲-轮盘静止振动，但是各个叶片间相位角都是不相同的，其中每两阶（节径数目相同的两阶）频率的数值很相近。呈现出的固有频率比较密集并且很接近的阶次，一般都是叶片主导的振动模态。第五、六阶振型呈现出两个节径，并且在节径的两侧进行方向相反的振动，这叫做扇形振动。扇形振动非常容易产生激振，轮盘材料不均匀、作用力不沿轴线对称以及周向的某些分布力都会产生这种扇形振动；第九、十阶振型呈现出四个节径，在这两阶振型振动时，某些叶片会落在节径上，它们只会作扭转振动，而位于变形最大地方（即波峰处）的叶片，则会作弯曲振动，其余的叶片介于这两者中间，会作弯扭复合的振动。图4-9叶盘系统前50阶振动的固有频率我们将耦合系统的前50阶振动的固有频率按照振动阶次的先后绘制成如图4-9所示的曲线，这是整体叶片轮盘耦合系统频率振动阶次的分布图。通过分析可以得出，耦合系统振动固有的频率会呈现出随着阶次的升高而上升的阶梯式分布。在阶梯中各个相对平坦的位置，这些阶梯的阶次的固有频率聚集得十分密集，固有频率数值很接近，并且这些“阶梯”的数目与叶片轮盘系统对应叶片的数目相等。而“阶梯”之间存在这短暂的“过渡”部分，这些部分振动固有频率的数值则相对不集中。我们通过联系这些固有的频率振动阶次和与之对应的振动振型后发现，这些平坦的“阶梯”处基本上是以叶片振动为主导的振动，而中间的那些“过渡”的成分就是以轮盘振动为主导的或者系统发生耦合振动的模态。叶片轮盘耦合系统的前十阶模态振动，全部都是以叶片的弯曲振动为主的振动，然而因为轮盘结构的质量要远远大于叶片的质量，此时如果发生振动，叶片振动的振幅要比其他部分的振幅大得多，再通过观察振型图就能够发现，轮盘的位置几乎没有发生位移。在振型图中，有一些叶片在振动过程中，自始至终都没有改变过自身的位置，一般这种叶片存在于上下两端。基于此，我们发现存在一条上下穿过叶片轮盘系统结构的节径。在系统发生振动时，相邻节径的两侧所对应的叶片，其振动的幅度都是相同的，但其振动相位都是相反的。阶次相同的叶片振动模态主导的不同的节径振动，其固有频率会比较集中地分布，固有频率的大小会伴随节径数的增加而增加。这些固有频率的数值一般都会小于单独叶片根部约束状态下的固有频率，但是由于节径数的不断增多，固有频率值会逐渐靠近单独叶片的固有频率值。1.3.2叶片轮盘系统Campbell图我们分析了叶片轮盘系统的振动模态后，进一步计算转速为0r/min，2500r/min，5000r/min，7500r/min，10000r/min，12500r/min，15000r/min，17500r/min，20000r/min，22500r/min的离心载荷作用，导入软件中分别计算