复杂边界约束条件下发动机叶片的固有振动特性研究
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摘要
航空发动机叶片的振动疲劳失效是一个普遍而又严重的问题。而叶片的固有振动特性分析是研究发动机叶片减振抗疲劳问题的基础。在进行叶片振动特性分析的过程中,为了使计算结果符合实际情况,一个重要的环节是计算模型边界约束条件的选取。通常认为:计算精度取决于单元的选取;而计算结果真实与否则取决于边界约束条件的选取。
本文针对六种不同型号的航空发动机叶片,研究分析了其在复杂边界约束条件下的固有振动特性。对其中所涉及到的一些基本理论进行了公式推导,并应用MSC.Marc软件进行了有限元计算分析,最后以两种不同型号的叶片为例分别进行了试验验证。
在有限元计算分析中,提出了不同边界约束条件模型来模拟复杂的边界约束状态。推导了固定边界、弹性支撑边界和接触边界约束条件下叶片振动分析所涉及到的一些理论公式。分别用六种不同型号的叶片模型进行了仿真计算,得到了上述三种边界约束条件下的计算结果。并对不同的计算模型下所得到的计算结果进行了分析比较,得到了一些有参考价值的结论。
本文采用了参数化设计的思想,应用pcl语言编程,以Visual C++ 6.0为工具开发了复杂边界约束条件下发动机叶片的振动特性分析平台。形成了以MSC.Marc为后台运行的程序模块,对各个模块和平台的整体性能进行了验证考核。并通过分析平台对仿真实例进行了分析计算,表明了各个程序模块算法的正确性和可靠性。该平台为今后一系列航空发动机叶片的振动特性分析提供了更为方便的途径。
在试验分析中,本文以某型号燕尾型榫连接结构和带锯齿形叶冠枞树型榫连接结构的发动机转子叶片为例,对上述两种叶片模型进行了振动模态试验。同时将试验分析结果和固定边界、弹性支撑边界约束条件下的有限元计算分析结果相比较,对所提出的计算模型的正确性和可靠性进行了验证。
Vibration fatigue failure on aero-engine’s vane is a prevalent and serious problem. But the investigation on natural vibration characteristic of aero-engine’s vane is the foundation for the study of reducing vibration and anti-fatigue. In order to make the computation results according to the real results, boundary conditions (BC) is very important for model in the process of natural vibration analysis. There is habitual parlance: the precision of computation is decided by the type of finite element cell, but whether or not the computation result is authentic is decided by the type of boundary conditions.
This paper researches the natural vibration characteristics of six types of aero-engine’s vane under complex boundary conditions. Some expressions of basic theory are deduced. Finite elements analysis results are computed by making use of MSC.Marc. Vibration modal experiments are done for two types of aero-engine’s vane in order to validate the computation results.
This paper establishes several boundary conditions models in order to fit the state of aero-engine’s vane during finite element analysis. Some expressions of basic theory on vibration analysis of aero-engine’s vane are deduced under fixed BC, flexible BC and contact BC. Six types of aero-engine’s vane are simulated and the computation results of three aforementioned types of BC are gained. The computation results of different models are compared and some valuable conclusions are obtained. This paper uses the theory of design on parameters and the pcl programming language to develop the software platform which is used for the investigation on vibration characteristics of aero-engine’s vane under complex boundaries by Visual C++ 6.0. The program module which runs the MSC.Marc background is formed. The capacity of each module is validated. Six types of aero-engine’s vane are simulated by software platform, which shows the correctness and reliability of program module. This software platform offers valuable reference for the future series of aero-engine’s vane vibration analysis.
This paper does the vibration modal experiments by illustrating one swallowtail rabbet rotor vane and one hackle rabbet rotor vane. The experiments results between the computation results of fixed boundary condition and flexible boundary condition are compared. Some valuable conclusions are obtained.
本文针对六种不同型号的航空发动机叶片,研究分析了其在复杂边界约束条件下的固有振动特性。对其中所涉及到的一些基本理论进行了公式推导,并应用MSC.Marc软件进行了有限元计算分析,最后以两种不同型号的叶片为例分别进行了试验验证。
在有限元计算分析中,提出了不同边界约束条件模型来模拟复杂的边界约束状态。推导了固定边界、弹性支撑边界和接触边界约束条件下叶片振动分析所涉及到的一些理论公式。分别用六种不同型号的叶片模型进行了仿真计算,得到了上述三种边界约束条件下的计算结果。并对不同的计算模型下所得到的计算结果进行了分析比较,得到了一些有参考价值的结论。
本文采用了参数化设计的思想,应用pcl语言编程,以Visual C++ 6.0为工具开发了复杂边界约束条件下发动机叶片的振动特性分析平台。形成了以MSC.Marc为后台运行的程序模块,对各个模块和平台的整体性能进行了验证考核。并通过分析平台对仿真实例进行了分析计算,表明了各个程序模块算法的正确性和可靠性。该平台为今后一系列航空发动机叶片的振动特性分析提供了更为方便的途径。
在试验分析中,本文以某型号燕尾型榫连接结构和带锯齿形叶冠枞树型榫连接结构的发动机转子叶片为例,对上述两种叶片模型进行了振动模态试验。同时将试验分析结果和固定边界、弹性支撑边界约束条件下的有限元计算分析结果相比较,对所提出的计算模型的正确性和可靠性进行了验证。
Vibration fatigue failure on aero-engine’s vane is a prevalent and serious problem. But the investigation on natural vibration characteristic of aero-engine’s vane is the foundation for the study of reducing vibration and anti-fatigue. In order to make the computation results according to the real results, boundary conditions (BC) is very important for model in the process of natural vibration analysis. There is habitual parlance: the precision of computation is decided by the type of finite element cell, but whether or not the computation result is authentic is decided by the type of boundary conditions.
This paper researches the natural vibration characteristics of six types of aero-engine’s vane under complex boundary conditions. Some expressions of basic theory are deduced. Finite elements analysis results are computed by making use of MSC.Marc. Vibration modal experiments are done for two types of aero-engine’s vane in order to validate the computation results.
This paper establishes several boundary conditions models in order to fit the state of aero-engine’s vane during finite element analysis. Some expressions of basic theory on vibration analysis of aero-engine’s vane are deduced under fixed BC, flexible BC and contact BC. Six types of aero-engine’s vane are simulated and the computation results of three aforementioned types of BC are gained. The computation results of different models are compared and some valuable conclusions are obtained. This paper uses the theory of design on parameters and the pcl programming language to develop the software platform which is used for the investigation on vibration characteristics of aero-engine’s vane under complex boundaries by Visual C++ 6.0. The program module which runs the MSC.Marc background is formed. The capacity of each module is validated. Six types of aero-engine’s vane are simulated by software platform, which shows the correctness and reliability of program module. This software platform offers valuable reference for the future series of aero-engine’s vane vibration analysis.
This paper does the vibration modal experiments by illustrating one swallowtail rabbet rotor vane and one hackle rabbet rotor vane. The experiments results between the computation results of fixed boundary condition and flexible boundary condition are compared. Some valuable conclusions are obtained.
引文
[1] 宋兆泓. 航空发动机可靠性与故障抑制工程[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2002.
[2] 蔡肇云, 金六周. 航空发动机强度设计、试验手册——叶片强度与振动计算[M]. 北京: 第三机械工业部第六研究院, 1980.
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[11] 梁清香, 张根全. 有限元与 MARC 实现[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.
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