压气机中叶片轮盘耦合结构振动分析

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1、压气机中叶片轮盘耦合结构振动分析发表时间：2007-11-6 作者:王春洁宋顺广宗晓  来源:万方数据关键字:航空、航天推进系统 叶片 轮盘 耦合振动 有限元分析 在建立了叶片与轮盘三维装配模型的基础上，考虑了由于装配产生的接触应力与叶片轮盘之间的耦合作用后，建立了叶片一轮盘装配耦合的振动特性计算的有限元模型.并采用ANSYS软件，使用循环分析方法对某叶片轮盘耦合结构的振动特性进行了计算分析.通过模态实验校验的手段证明用这种方法进行榫接装配系统动力学分析是可行的.  航空发动机高转速、轻结构的趋势，使轮盘结构轻而薄.这不仅使轮盘自身振动严重，对叶片的

2、振动影响也很大.同样，轮盘的动态特性也会受到叶片振动的影响.长期以来，对于航空发动机中叶片与轮盘系统的动力学设计与分析一直是将叶片和轮盘作为单独元件进行动力学设计.分别对叶片和轮盘的频率、动态响应和稳定性进行计算.或者是将叶片与轮盘当成一个整体，而没有考虑到叶片与轮盘系统之间的装配结构及其配合关系，而对其振动问题进行分析，使叶片和轮盘的预测频率失真，造成设计参数的不佳选择.因此必须对叶片一轮盘类结构的祸合振动特性进行研究.本文首先通过实验验证了基于接触面的榫接装配有限元分析方法，然后以某型压气机叶片轮盘为例，应用波传播技术、采用有限元程序的循环分析方

3、法对叶片、轮盘的装配耦合系统振动固有特性进行了分析.1榫接装配系统的有限元分析方法验证     叶片一轮盘榫接装配系统振动一直是压气机系统性能仿真中的关键问题，本文提出了基于接触面分析的装配体有限元仿真方法，对榫接装配结构进行了有限元仿真分析.同时建立了相关的榫接装配实验系统，进行了锤击法振动实验研究.对二者结果进行对比研究，证明了基于接触面的榫接装配有限元分析的可行性.   1.1榫接装配体有限元分析      在有限元软件ANSYS中建立典型榫接装配结构有限元模型如图1所示.在该模型中，两部件的只维实体部分使用的均为Solid45单元，并且不采用

4、传统的将装配结构完全约束的方法，而是在部件1与部件2之间可能会产生接触的表面上分别添加了三维、8节点、面-面接触单元Con-ta174与三维目标单元Targe170，模型假定接触面之间发生的是铝-铝之间的接触为了使分析模型更接近实际工况，以求得更加准确的分析结果，在部件1的底部添加1000P。的均匀分布压力，模拟由于旋转产生的离心力.使用ANSYS的模态解算器对此模型进行分析得到榫接装配件的1-4阶特征频率.在建立了叶片与轮盘三维装配模型的基础上，考虑了由于装配产生的接触应力与叶片轮盘之间的耦合作用后，建立了叶片一轮盘装配耦合的振动特性计算的有限元模

5、型.并采用ANSYS软件，使用循环分析方法对某叶片轮盘耦合结构的振动特性进行了计算分析.通过模态实验校验的手段证明用这种方法进行榫接装配系统动力学分析是可行的.1.2榫接装配体实验模态分析      为了采用静态测量实验模拟旋转状态下的测量，利用实验件2上的螺栓对实验件1从底部榫头施加一个向上的推力，来模拟由于旋转而产生的作用在叶片上的离心力.通过改变螺栓预紧力的大小，来模拟不同转速下叶片榫头与轮盘燕尾槽之间的作用.实验后得到该装配工件的前四阶模态与有限元分析结果进行比较，如表1.   从表1可以看到，仿真与实验模态频率除了在第一阶存在较大的误差外，

6、在其余阶数，仿真和实验所得到的频率值的误差都比较小，绝对误差在4.1~65Hz之间，相对误差在0.04%-2.6%之间.可见，对于大部分的频率值，实验和有限元仿真吻合较好，由此可以验证基于接触面的榫接装配有限元分析的可行性.产生一阶模态较大误差的原因主要有:传感器灵敏度引起的误差、模态拟合过程中的近似误差、实验过程中力锤和试验件的短时间接触引起的结构局部非线性、结构动态变形过程中的非线性、两只螺栓之间的细微差别导致作用在榫头底部的应力与仿真之间的误差、实验件的加工误差等.2叶片轮盘藕合结构振动分析      为了更充分地考虑叶片几何外形对祸合系统模态

7、的影响，采用UG软件精确建立系统的几何模型，再导人ANSYS进行有限元分析.计算时先对叶片与轮盘由装配产生的预应力进行计算，再计算在该预应力作用下系统的振动特性.具体流程如图2所示. 在建立了叶片与轮盘三维装配模型的基础上，考虑了由于装配产生的接触应力与叶片轮盘之间的耦合作用后，建立了叶片一轮盘装配耦合的振动特性计算的有限元模型.并采用ANSYS软件，使用循环分析方法对某叶片轮盘耦合结构的振动特性进行了计算分析.通过模态实验校验的手段证明用这种方法进行榫接装配系统动力学分析是可行的.对于带有N个叶片的循环对称结构的轮盘，根据波传播理论，有限元分析时可

8、取为一个叶片和与之对应的1/N圆盘扇区为计算区域(基本扇区).通过对阵基本扇区有限元模型模态的计算，引人复约