航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度與振動(dòng)-課程設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度與振動(dòng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告姓 名： 肖庭文 專 業(yè)： 飛行器動(dòng)力工程班 級(jí)： 080141H 指導(dǎo)教師： 李書明（教授）但敏二0一一年十一月

題目及要求題目基于ANSYS的葉片強(qiáng)度與振動(dòng)分析葉片模型把葉片簡(jiǎn)化為根部固裝的等截面懸臂梁。葉片模型如右圖所示，相關(guān)參數(shù)如下葉片長(zhǎng)度：0.04m葉片寬度：0.008m葉片厚度：0.002m葉根截面距旋轉(zhuǎn)軸的距離為0.16m材料密度：7900kg/m 葉片振動(dòng)的有限元分析（1） 葉片靜頻計(jì)算與分析要求：給出1到 葉片振動(dòng)的有限元分析（1） 葉片靜頻計(jì)算與分析要求：給出1到10階的葉片振型圖，并說(shuō)明其對(duì)應(yīng)振動(dòng)類型。（2） 葉片動(dòng)頻計(jì)算與分析要求：計(jì)算出葉片在轉(zhuǎn)速為1000rad/s，2000rad/s,4000rad/s,8000rad/s,10000rad/s下的動(dòng)頻值，用表格形式表示。（3） 共振分析要求：根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，做出葉片共振圖（或稱Campbell圖），找出葉片的共振點(diǎn)及共振轉(zhuǎn)速。 按要求撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告說(shuō)明：網(wǎng)格劃分必須保證結(jié)果具有一定精度。各輸出結(jié)果圖形必須用ANSYS的圖片輸出功能，不允許截圖。彈性模量：2.11011Pa泊松比：0.3葉片的靜力分析（1）葉片在轉(zhuǎn)速為5000rad/s下的靜力分析。要求：得到vonMises等效應(yīng)力分布圖，并對(duì)葉片應(yīng)力分布進(jìn)行分析說(shuō)明。課程設(shè)計(jì)報(bào)告基于ANSYS的葉片強(qiáng)度與振動(dòng)分析1.ANSYS有限元分析的一般步驟1）前處理前處理的目的是建立一個(gè)符合實(shí)際情況的結(jié)構(gòu)有限元模型。在Preprocessor處理器中進(jìn)行。包括：分析環(huán)境設(shè)置（指定分析工作名稱、分析標(biāo)題、）定義單元類型、定義實(shí)常數(shù)、定義材料屬性（如線彈性材料的彈性模量、泊松比、密度）、建立幾何模型（一般用自底向上建模：先定義關(guān)鍵點(diǎn)，由這些點(diǎn)連成線，由線組成面，再由線形成體）、對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（分為三個(gè)步驟：賦予單元屬性、指定網(wǎng)格劃分密度、網(wǎng)格劃分）在本課程設(shè)計(jì)中，先在Preferences中定義了所要研究的對(duì)象是structuraK結(jié)構(gòu)），然后在Preprocessor中定義材料的類型為structuralsolid->Brick8node45再設(shè)定材料密度為 DENS=7900kg/m3，彈性模量為EX=2.11011P，泊松比為aPRXY=0.3。最后根據(jù)葉片在空間的擺放位置創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)（Keypoints），然后依次建立面（Areas）->體（V）lumes）。建體的關(guān)鍵是要使簡(jiǎn)化的長(zhǎng)方體葉片模型底面中線正對(duì)X軸，并能繞其轉(zhuǎn)動(dòng)。K2）施加載荷、設(shè)置求解選項(xiàng)并求解這些工作通過(guò)Solution處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。指定分析類型（靜力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力分析、譜分析等）設(shè)置分析選項(xiàng)（不同分析類型設(shè)置不同選項(xiàng)，有非線性選項(xiàng)設(shè)置、線性設(shè)置和求解器設(shè)置）、設(shè)置載荷步選項(xiàng)（包括時(shí)間、子步數(shù)、載荷步、平衡迭代次數(shù)和輸出控制、加載（ANSYS結(jié)構(gòu)分析的載荷包括位移約束、集中力、面載荷、體載荷、慣性力、耦合場(chǎng)載荷，將其施加于幾何模型的關(guān)鍵點(diǎn)、線、面、體上)然后求解。在本課程設(shè)計(jì)中，靜力分析時(shí)要固定底面邊界，施加5000rad/s繞X軸的轉(zhuǎn)速；模態(tài)分析中的靜頻分析時(shí)要固定底面邊界，設(shè)定10階最大階數(shù)，然后求解(solve),最后查看結(jié)果；模態(tài)分析中的動(dòng)頻分析時(shí)要固定底面邊界，先在static分析類型中第一次求解(solve)出對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的離心拉仲應(yīng)力，然后再到modal分析中第二次求解(solve)出動(dòng)頻值，求解時(shí)要考慮離心拉仲應(yīng)力的影響。(3)后處理當(dāng)完成計(jì)算以后，通過(guò)后處理模塊GeneralPostproc查看結(jié)果。ANSYS軟件的后處理模塊包括通用后處理模塊( POST1)和時(shí)間歷程后處理模塊(POST26)?？梢暂p松獲得求解計(jì)算結(jié)果，包括位移、溫度、應(yīng)變、熱流等，還可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，然后以圖形或者數(shù)據(jù)列表的形式輸出。結(jié)構(gòu)的變形圖、內(nèi)力圖(軸力圖、彎矩圖、剪力圖)，各節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變，還有位移應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D都可以得出，為我們分析問(wèn)題提供重要依據(jù)。在本課程設(shè)計(jì)中，主要是通過(guò)后處理模塊查看葉片變形的位移振動(dòng)圖(DOFsolution)和vonMises等效應(yīng)力分布圖(stress)。算出的動(dòng)頻值結(jié)果可以在Resultssummary中查看，另外還可以通過(guò)菜單欄中的PlotCtrls->HardCopy->ToFile...中輸出白底色圖片和PlotCtrls->Animate->modeshape中輸出動(dòng)畫。2.葉片的靜力分析WC?￡jftL5C<LUT.'IC?H^T.E.P=2^UBWC?￡jftL5C<LUT.'IC?H^T.E.P=2^UB=1飲]LMIE.=3SEjQV1DIMX=?USE.-03aww=?3aaE.#as酗選=.24SE；ttaaAN212011.3QlE.ttaS .35^E.?0!5 .€7'5E.tt0!5 .SS7E.*aS .132E.*10.151E.*DS .'514E.ttaS .83^E.*QS5000ra.d/s_yiKiglifemxi_^i3o'Ti)a-gjW]n_0S01^.1827分析：圖分析：圖1轉(zhuǎn)速為5000rad/s時(shí)葉片等效應(yīng)力分布圖理論上葉片自上到下應(yīng)力應(yīng)該逐漸增大，最小應(yīng)力MN發(fā)生在葉尖部，最大應(yīng)力MX發(fā)生在葉根部。因?yàn)樵谶@里葉片可以簡(jiǎn)化的看成根部完全固裝的等截面懸臂桿。把葉片網(wǎng)格劃分成有限個(gè)微元單元體后，在5000rad/s離心力的作用下，靠近外層的微元單元體所受到的外側(cè)材料的總的離心應(yīng)力較小，越靠近根部時(shí)，截面外側(cè)所有材料的離心力都將加載到該截面上，所以越靠近根部，截面所受到的總的離心應(yīng)力就越大。用ANSYS軟件建模求解后，所得到的葉片應(yīng)力分布圖大致符合理論分析。上面所顯示的葉片最底面并不是紅色的最大應(yīng)力區(qū)域，這是因?yàn)槲覀冊(cè)趧澐志W(wǎng)格時(shí)，ANSYS軟件模擬出的地面固定邊界載荷是作用在底面微元單元體上的節(jié)點(diǎn)（nodals）上的，而并不是均布在整個(gè)底面平面上，所以輸出結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)底面是均布的最大載荷的區(qū)域。但是從葉片應(yīng)力分布圖來(lái)看，總的應(yīng)力趨勢(shì)還是從葉片自上到下，應(yīng)力逐漸增大的，和實(shí)際相符。

3.葉片振動(dòng)的有限元分析葉片靜頻計(jì)算與分析基于ANSYS9.0軟件的計(jì)算過(guò)程：先是建立葉片模型(六面體)，建模過(guò)程中要通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)確定它在空間中的精確的相對(duì)位置；然后是選擇模態(tài)分析(modal),接著設(shè)定10階模態(tài)分析，固定底面邊界，然后是求解(solve)；最后通過(guò)ReadResults和PlotResults查看1-10階各階振動(dòng)位移圖(DOFsolutions),結(jié)果如下：(j) 10階振型圖，屬于彎曲扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動(dòng)(j) 10階振型圖，屬于彎曲扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動(dòng)圖2前1-10階振型圖轉(zhuǎn)(rad/s)階數(shù)1000200040008000100001050.51137.213642026.835934405.74077.24100.24168.54430.65348.55941.26560.76639.36869.67719.28400105699594.49604.89635.89758.51200012023183611844218682196102288724362222152223722305225742361425017292762929829364296273064331371324003240332412324503260032712360093609536350373524106343595503955042950533509435253453678轉(zhuǎn)(rad/s)階數(shù)1000200040008000100001050.51137.213642026.835934405.74077.24100.24168.54430.65348.55941.26560.76639.36869.67719.28400105699594.49604.89635.89758.51200012023183611844218682196102288724362222152223722305225742361425017292762929829364296273064331371324003240332412324503260032712360093609536350373524106343595503955042950533509435253453678總結(jié)：除彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)外，在葉片上還會(huì)出現(xiàn)許多其他振型。其中有的是彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合振型，有些振型還難以給以名稱。其中一階彎曲振動(dòng)、二階彎曲振動(dòng)、一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)??較為常見，危險(xiǎn)性也最大。對(duì)于壓氣機(jī)葉片而言，最重要的是一、二彎和一扭振型；對(duì)于渦輪葉片，大多是一彎和一扭振型。（2）葉片動(dòng)頻計(jì)算與分析基于ANSYS9.0軟件的計(jì)算過(guò)程：首先也是建立葉片模型（六面體）建模過(guò)程中也要通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)確定它在空間中的精確的相對(duì)位置（可以精確地繞X軸旋轉(zhuǎn)）；然后是選擇靜態(tài)分析（tatic），計(jì)算前要勾選考慮預(yù)應(yīng)力的影響，把第一次solve求解出的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的離心應(yīng)力關(guān)聯(lián)到下一步的模態(tài)分析中;再然后是選擇模態(tài)分析（modal）,勾選考慮預(yù)應(yīng)力的影響，設(shè)定10階模態(tài)分析，固定底面邊界，然后是第二次求解（solve）；最后通過(guò)ResultsSummary查看1-10階的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的動(dòng)頻值，將結(jié)果列表如下：表一各轉(zhuǎn)速下各階振型的振動(dòng)頻率值10階

（3）共振分析根據(jù)倍頻力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，將數(shù)據(jù)列表如下：表二倍頻力的頻率值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系6000050000400003000020000100000 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90001000011000轉(zhuǎn)速n(rad/s)亠6000050000400003000020000100000 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90001000011000轉(zhuǎn)速n(rad/s)亠1階亠2階3階—4階—5階亠6階—7階一8階—9階10階—K=1__K=2K=3—K=4—K=5—K=6—K=7——K=8-K=16K=30^速^K值(rad/s)\^K=1K=2K=3K=4K=5K=6K=7K=8K=16K=301000159.1318.3477.4636.6795.7954.91114.01273.22546.44774.54000636.61273190925463183381944565092.810185.6190981000015913183477463667957954911140127322546447745圖3葉片共振圖觀察上面的葉片共振圖，現(xiàn)對(duì)共振現(xiàn)象進(jìn)行分析：作用在葉片上的一個(gè)局部的沖擊力可以看作是許多諧力之和，諧力的頻率為轉(zhuǎn)速的1、2、3??倍?；蚍Q這些力為1、2、3??倍頻力。倍頻力也就是所謂的激振力，它可以分為兩類：機(jī)械激振力和氣動(dòng)激振力。前者是由于輪盤有振動(dòng)，因而搖動(dòng)葉片根部，使葉片發(fā)生振動(dòng)。通常稱為“位移激振”或“位移激擾”；后者是由于氣流對(duì)葉片表面的壓強(qiáng)做周期性的變化，激起葉片振動(dòng)。局部障礙將引起各種頻率的