基于ANSYS的整体叶盘结构优化设计

为保证整体叶盘结构在安全工作条件下质量最轻,基于ANSYS优化平台,建立了整体叶盘三维参数化模型及结构优化设计数学模型,完成了整体叶盘结构的优化设计.首先结合相关静强度设计准则及方法,在给定轮缘分布载荷条件下对轮盘子午面进行优化.然后建立整体叶盘三维模型,并对子午面优化中未考虑的轮缘关键尺寸如轮缘厚度、喉道倒角、叶根倒角进行三维局部优化.在三维优化中总结出了盘喉道和叶根最大等效应力与各优化参数之间的关系.分两步实施的整个轮盘优化过程仅需3~4h.      

辐板厚度变化对整体叶盘结构力学性能的影响

以发动机第四级等厚辐板整体叶盘结构为例,采用有限单元法,探讨辐板厚度变化对整体叶盘结构强度、振动及由反向温度场引起的轮盘稳定性的影响。结果表明,调整辐板厚度,可在不同程度上改变整体叶盘结构的振动特性、强度应力水平及轮盘稳定性。随着辐板厚度的增加,盘片耦合振动频率呈增加趋势,但叶片振动频率几乎不变,盘体静强度呈抛物线趋势,盘体稳定性增加。     

基于叶尖定时原理的整体叶盘振动测试与分析

针对某发动机整体叶盘风扇部件第1级转子叶片振动故障,应用基于叶尖定时原理的多通道非接触叶片振动测试系统 对不同气动状态、不同运行转速下叶片振动参数进行测量,采用整级叶片行波分析方法分析得到了整体叶盘转子叶片的振动形式 以及叶片振动随风扇气动状态和运行转速的变化规律。测试分析结果表明：该整体叶盘转子叶片在多个转速下存在非同步振动, 同时静子参考系可观察到前行波,叶片振动频率、激振因素及振动节径均随转速变化,叶片振动Campbell图存在2条明显的激振 线,与叶片2弯和1扭振型频率线基本一致。通过测试分析可知振动激励源为宽频激励,且与试验件静子结构激振因素无关。可 通过提高叶片自身刚度、强化阻尼效果、降低弯扭耦合来改善叶片振动特性。     

叶盘结构盘片耦合振动特性的参数敏感性

在参数化建模、求解的基础上重点研究了叶盘结构盘片耦合振动频率转向特性、由结构参数随机失谐引起的振动局部化特性对结构设计参数变化的敏感性.对盘片耦合振动频率转向特性的研究发现,随着轮盘扇区间耦合刚度或叶片刚度的变化,频率转向间隙曲线的改变具有碗状形式;对振动局部化特性的研究表明,以轮盘扇区间耦合刚度和结构参数失谐强度为自变量的失谐响应放大因子曲面呈类马鞍形;响应放大阈值现象存在与否,与轮盘扇区间耦合刚度的大小直接相关.若选择位于鞍部的轮盘扇区间耦合刚度-失谐强度组合参数设计,失谐响应放大因子最多能够被减小37.5%.      

含裂纹叶片的轴流式压气机整体叶盘振动特性分析

某型轴流式压气机性能试验过程中出现转子叶片裂纹故障.结合该型压气机结构特点,分析了振动响应的时域信号、频域信号以及高频成分出现的频率波动现象,总结了含裂纹叶片的轴流式压气机整体叶盘振动特性.分析结果显示:含裂纹叶片的整体叶盘使得轴流压气机振动响应呈现非线性特性;振动频谱中出现共振峰分离现象,表明叶片裂纹引起轴流压气机1级转子叶盘出现结构失谐;随转速升高,两个共振峰对应频率均出现波动现象(波动周期分别约为8s和9.2s),叶片裂纹不断扩展且数量增加,整体叶盘失谐程度不断加深,整体叶盘系统出现低阶模态局部化现象.      

航空发动机涡轮转子叶片-盘耦合共振特性分析

首先使用UG软件对某型航空发动机涡轮转子单个叶片和叶片-轮盘进行三维实体建模;然后应用有限元ANSYS软件计算不同边界条件下单个叶片和叶片-轮盘在典型转速下的固有频率及振动特性;最后根据计算结果绘制Campbell图,并进行频率裕度和共振特性分析。     

大小叶盘结构连续参数模型和振动模态

给出了用于研究大小叶片整体叶盘结构固有振动特性分析的连续参数模型。模型用 Timoshinko梁模拟叶片 ,用平板模拟轮盘 ,并在叶片和轮盘间引入弹簧元件模拟叶片和轮盘间的耦合关系 ,简化了两者间的边界条件和连续性条件。采用 Gram-Schmidt方法生成正交多项式作为李兹容许函数进行模型的离散化 ,简化了所得到的频率方程求解过程 ,有利于求解过程的数值稳定性 ,并可方便地通过对方程系数性质的分析了解结构振动模态的性质。利用上述的分析原理和求解方法 ,进行了简化的大小叶片整体叶盘结构的计算 ,计算结果与有限元计算结果具有很好的一致性      

涡轮榫接结构多层次设计优化方法

针对航空发动机涡轮榫接结构设计优化,根据不同的阶段和要求开展3个层次的优化:二维模型榫接结构基本参数优化、三维带盘模型榫接结构优化以及叶盘结构的气动-结构强度多学科优化.3个层次的优化是迭代进行的,第1层次构建基本的结构参数,第2层次建立在第1层次优化结果之上,同时考虑与轮盘相互影响的重要参数.在第2层次不能达到最优或不满足要求的前提下,开展第3层次的叶盘结构多学科优化研究,通过调整流道等气动参数,达到气动和结构强度两个学科相对最优.结果表明经过优化第1阶段榫接结构最大径向应力降低12.7%,第2阶段轮盘减质量6.9%,第3阶段气动和强度的综合优化效果提升2.4%,得到满足设计要求的榫接结构.      

双转子发动机转差引起的叶片尾流激振

介绍了双转子结构发动机在飞行使用中高、低压转子转速差随转速的变化特点,提出了转差可能在高、低压转子交界处的动叶间引起尾流激振的观点,并通过计算实例对转差引起的叶片尾流激振特点作了简要描述.与导向器的尾流激振比较,转差引起的叶片尾流激振有着易激起危险的低阶振型、共振转速范围宽和激振强度低的特点.      

失调叶盘结构模态特性及抗共振可靠度分析

为了探究航空发动机失调叶盘结构的固有频率在不同随机参数下的分布规律,建立了叶盘结构的有限元模型,对各随机变量选取了不同的失调程度.利用拉丁超立方抽样与响应面相结合的方法,对不同结构参数、工况下的叶盘固有频率进行了概率分析,得到了其在不同失调情况下的分布特性以及对各输入参数的灵敏度.利用工程振动理论建立了结构共振失效的极限方程,给出了叶盘结构在随机频率的激振力下的抗共振可靠度的计算方法,并对不同材料属性参数失调程度下的叶盘抗共振可靠度进行了计算,得出了叶盘抗共振可靠度在不同程度的材料属性失调下的变化规律.     

错频叶盘结构的概率模态局部化特性分析

以典型压气机叶盘结构为例,提出了实际错频结构的有限元建模方法,并考虑了随机加工误差的影响,定义了一种基于叶片应变能的模态局部化因子,基于ANSYS有限元和Monte Carlo数值计算,定量分析评价了错频叶盘结构固有频率和模态振型局部化的统计特性.研究表明,"错频失谐"会引起显著的振动局部化,叶盘错频设计中需要综合考虑结构的失谐振动局部化和气弹稳定性两方面.      

自由涡轮叶片/轮盘耦合振动特性分析

自由涡轮是航空发动机的关键部件,其工作环境非常恶劣,承受着离心载荷、热载荷、气动载荷及振动载荷等的复合作用。利用UG软件对某型自由涡轮2级涡轮轮盘/叶片进行3维实体建模,导入ANSYS构建其耦合振动分析的有限元模型,以静强度分析中的模型为基础,考虑温度场和离心载荷的影响,计算出涡轮叶片/轮盘不同转速下的动频。从Campbell图可见,涡轮叶片/轮盘在工作转速下没有发生共振的危险,该型涡轮设计合理。     

双辐板涡轮盘/榫结构优化设计方法

提出双辐板涡轮盘/榫三维结构优化设计方法,包括:以盘/榫总质量作为目标函数,分部管理的设计参数,盘/榫结构分部快速优化/整体精细优化策略;基于ANSYS软件,建立了双辐板涡轮盘/榫结构优化设计平台.针对某高压涡轮转子,设计了两种双辐板涡轮盘/榫模型,分析了盘缘喉部半径、盘缘厚度参数对盘/榫危险区应力的影响.优化结果表明:双辐板涡轮盘比单辐板涡轮盘应力分布更加均匀;在满足结构强度约束条件下,两种双辐板涡轮盘分别比单辐板涡轮盘减质19.90%和17.35%;对双辐板涡轮盘/榫模型进行优化,采用该优化设计方法的计算时间仅为采用常规三维优化方法的1/3,表明其优化设计方法的合理性及高效性.      

一种航空发动机轮盘尺寸与重量预估方法

为了在航空发动机总体设计阶段准确快速的预估轮盘转子的重量,正确把握轮盘结构形式的发展趋势,建立基于等强度型面的轮盘尺寸设计和重量预估模型并开发计算程序,利用程序对某型涡扇发动机的轮盘转子进行重量预估,研究在不同轮盘中心孔半径、不同叶片应力参数(AN2)值下的轮盘尺寸和重量的变化规律,研究轮盘重量在不同轮盘中心孔半径、不同AN2值下随转子叶片材料的变化。结果表明:在满足一定的强度负荷限制和结构限制的条件下,存在轮盘应力和轮盘中心孔半径的最优组合,使得轮盘重量最小;转子叶片采用密度更小的新材料后,轮盘的中心孔半径增大,进而可能演化为叶环结构,转子部件重量大幅下降。     

一种摩擦阻尼器在整体叶盘结构的应用

介绍了一种应用于整体叶盘结构的摩擦阻尼器，即在轮缘下方加工销孔，安装阻尼销.工作时，由于离心载荷的作用，阻尼销与轮缘相互摩擦，从而消耗振动能量.这种阻尼器被应用于两台发动机的涡轮整体叶盘减振方案中，试验结果显示:其减振效率差异较大.数值模拟分析证明，这种阻尼器的减振效率和振动能量在叶-盘间的传递有关.对于叶-盘强耦合振型，这种阻尼器可以获取较高的减振效率，叶片振动应力水平下降了约70%；但对于叶-盘弱耦合振型，叶片振动应力幅值没有明显下降趋势.      

涡轮盘关键部位多圆弧设计及多变量优化

为得到质量最低且满足设计准则要求的涡轮盘结构形式，研究了多圆弧过渡对涡轮盘关键部位应力的影响。提出了双圆弧和三圆弧结构设计方案并推导了几何关系，为过渡圆弧的改进与优化提供了理论上的支持。通过有限元计算，获得了多圆弧结构参数对涡轮盘应力的影响规律。基于ANSYS Workbench优化平台及参数化建模技术，筛选了优化设计变量，以涡轮盘总质量最小为优化目标，以等效应力为约束对涡轮盘关键部位进行了多变量优化。结果表明:经过优化设计，两个关键部位的最大应力分别降低662%和11.40%，涡轮盘的质量减小0.16%。本文的研究结果为涡轮盘的多圆弧设计和工程应用提供了有益参考。      

树脂基复合材料风扇叶片的优化设计

在深入研究树脂基复合材料的材料属性和设计准则的基础上,提出并建立了一种树脂基复合材料空心风扇叶片的结构设计方法,并对叶片的强度和振动特性进行了研究,结果表明所提出的树脂基复合材料空心风扇叶片的结构设计是可行的,且对于提高风扇叶片的强度和减重起到了显著的效果.在此基础上,以共振裕度为设计目标,提出了树脂基复合材料风扇叶片优化设计的流程,解决了优化过程中学科间、应用软件间的信息传递问题,并实现了叶片铺层顺序设计优化.结果表明:在满足强度约束条件的前提下,树脂基复合材料空心风扇叶片较金属实心叶片质量减少了78.88%,共振裕度增加了8.44%.      

高结构效率的斜流压气机结构设计

针对高负荷斜流压气机的结构设计需求,引入和完善斜流叶盘的结构效率评估方法,用以协调各种设计要求和优化结构设计.基于提高结构效率的设计思想,提出“C”型和“M”型两种新型斜流叶盘结构方案,并通过平均应力值、振动鲁棒系数和轮缘变形协调系数3项的分析和结构效率系数的对比,论证了新型轮盘结构在减轻质量、提高可靠性和降低叶尖损失等方面的优势.分析结果表明:“M”型叶盘结构方案可使平均应力提高24.7%,质量降低20%,振动响应降低37.9%,轮缘最大变形降低67.6%.      

基于耦合场压电分析的失谐叶盘振动仿真模拟

针对典型失谐叶盘结构振动响应局部化实验需求,通过有限元仿真验证实验的最坏叶片失谐模式,基于ANSYS软件的直接耦合场压电分析功能,对粘贴在叶片根部的各压电陶瓷片施加行波谐激励电压,模拟了失谐叶盘的振动响应局部化特性。数值仿真结果与实验结果得到了良好的验证,为进行失谐叶盘振动局部化实验研究提供了有效的支撑。