叶片固有特性分析和振动响应方法研究..doc

叶片固有特性分析和振动响应方法研究 摘 要 叶片是航空发动机的主要零件之一，其结构强度直接影响到发动机的工作效率和运行可靠性。叶片的工作环境比较恶劣，除了承受高速旋转的气动力、离心力和振动负荷外，还要受到热应力的作用，很容易发生故障。以航空发动机为例，据统计振动故障率占发动机中总故障率的60%以上，而叶片振动故障率又占振动故障率的70%以上。因此，有必要在叶片的设计过程中建立合适的有限元模型并进行振动固有特性分析和响应分析。 本文针对叶片固有特性和振动响应的分析方法进行研究。首先对叶片固有特性分析方法和振动响应分析方法进行了综合性评述。在总结前人对叶片固有特性和振动响应分析方法的基础上，采用解析法和有限元方法相结合，准确预估和分析叶片固有特性，采用CFD应用软件FLUENT对叶片进行三维流场的模拟，在此基础上对叶片进行振动响应分析。 本文的主要研究内容大致可以归为以下几个方面： (1) 研究叶片振动的解析计算方法，在叶片扭向角不大的情况下，通过建立一些假设将叶片视为变截面梁，利用经典的梁弯曲和梁扭转理论计算叶片的振型和自振频率。 (2) 采用ANSYS有限元软件，对叶片进行固有模态分析和带有预应力情况下的模态分析，并对两种情况下的结果进行了对比，其中考虑了转速不同时的离心力对叶片固有特性的影响，并绘制Campbell图。 (3) 采用FLUENT对叶片作流场分析，分析了叶片流场速度、压力等沿叶片径向分布情况，并研究了不同转速对叶片流场速度、压力的影响。 (4) 基于叶片流场分析的结果，应用ANSYS软件，对考虑S1、S2气动加载和集中载荷加载三种情况下的叶片振动响应进行了计算和分析。 本文对叶片固有特性和振动响应分析方法研究实现了叶片振动解析法和考虑S1、S2气动加载、集中载荷加载振动响应的计算，对叶片的初期设计有重要的意义。 关键词：叶片；固有特性；振动响应；计算方The Analysis Method Study of Inherent Characteristic and Vibration Response of Blade Abstract Blade is one of the crucial parts of aero-engine, its structural strength directly affecting the engines efficiency and reliability. Blade, relatively poor working environment, in addition to withstanding high speed rotation of the air force, centrifugal force, vibration loads and thermal stress, is easy to faults. For example, vibration fault rate of Aero-engine accounts above 60% of total fault rate according to statistics. While the blade vibration fault rate has accounted above 70% of vibration fault rate. Therefore, it is necessary to establish suitable finite element model for analysis of the inherent characteristics and vibration response in the blade design process. In this paper, analysis method of the inherent characteristics and the vibration response of the blade are researched. First, this paper makes a comprehensive exposition about the research on the analysis method for inherent characteristics and vibration response of blade. On the basis of the conclusion of our predecessors on the method for inherent characteristics and vibration response of blade, using analytical method