航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子模態(tài)分析實(shí)例

2017-08-26 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1摘要:

采用三維軟件對航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體建模,模型導(dǎo)入 ANSYS Workbench 中進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。提取了前6階固有頻率及模態(tài)振型進(jìn)行了分析和處理,發(fā)現(xiàn)了模態(tài)振型的順序和規(guī)律;研究了與之相對應(yīng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的坎貝爾圖,結(jié)合發(fā)動機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和振動安全裕度,比較風(fēng)扇轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速,進(jìn)行共振風(fēng)險分析。

2引言:

隨著航空發(fā)動機(jī)涵道比和推重比的不斷加強(qiáng),風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的質(zhì)量在整個發(fā)動機(jī)中所占比例也越來越大。任何的質(zhì)量不均勻和葉片失效事件都會造成風(fēng)扇轉(zhuǎn)子不平衡轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一旦產(chǎn)生重大的結(jié)構(gòu)載荷和振動,將嚴(yán)重影響航空發(fā)動機(jī)的安全性和可靠性。在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)偏離工作轉(zhuǎn)速,盡量避免轉(zhuǎn)子在受到某種激勵之后產(chǎn)生的共振給轉(zhuǎn)子帶來的嚴(yán)重?fù)p壞。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各階固有頻率和振型是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。模態(tài)分析可以預(yù)估這些參數(shù),得到的計(jì)算仿真數(shù)據(jù)可以為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動安全裕度的計(jì)算提供理論依據(jù)。

本文基于工業(yè)上廣泛使用的制圖軟件 SolidWorks對航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子系統(tǒng)(包含一個輪盤和一個主軸的裝配體)進(jìn)行三維實(shí)體建模,并導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力(即離心預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、陀螺力矩效應(yīng)以及旋轉(zhuǎn)軟化效應(yīng))的模態(tài)分析,得到其固有頻率和振型,其結(jié)果可為轉(zhuǎn)子的動態(tài)設(shè)計(jì)提供參考,對改善轉(zhuǎn)子的動態(tài)特性具有重要意義。

3案例描述:

現(xiàn)有一款航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在一系列的轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行,請?jiān)谶@些轉(zhuǎn)速工況下進(jìn)行模態(tài)分析,求解每一種工況下的前6階模態(tài)振型和固有頻率,并且輸出坎貝爾圖得到轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。

4模型:

幾何模型如下圖所示,軸向有較多的圓角和倒角過渡,為達(dá)到較高的網(wǎng)格質(zhì)量故采用切分處理(不同顏色代表不同零件)。

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圖1 模型

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圖2 模型正視圖

網(wǎng)格模型如下圖。中間規(guī)則的軸為六面體網(wǎng)格,兩端有復(fù)雜特征的部分為四面體。

材料選擇默認(rèn)結(jié)構(gòu)鋼。

本文主要介紹仿真分析方法,請勿糾結(jié)網(wǎng)格和材料問題。

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圖3 網(wǎng)格

5連接:

本案例涉及到兩種連接方式如下圖4,包括綁定接觸、和軸承支撐連接。綁定接觸連接為各個軸段之間的連接,軸承支撐連接布置在軸線上三個位置,位置如圖2所示。(懸空的三個圓盤只是軸承支撐連接標(biāo)識,并不是幾何模型)。軸承支撐參數(shù)設(shè)置如下圖4,設(shè)置了軸向剛度阻尼,徑向剛度阻尼。

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圖4 連接設(shè)置

6分析設(shè)置和載荷及約束

設(shè)置模態(tài)提取階數(shù)6,打開陀螺效應(yīng),打開坎貝爾圖開關(guān),設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)輸入10。如下圖5所示。

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圖5 分析設(shè)置

設(shè)置10個旋轉(zhuǎn)角速度0.1,100,250,400,500,542,700,850,1000,1100。如下圖6所示。

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圖6 轉(zhuǎn)速設(shè)置

設(shè)置約束條件。對軸左右兩個兩端的端面進(jìn)行約束,允許X方向轉(zhuǎn)動,其他自由度全部設(shè)置為0。注意在模態(tài)分析中,0位移約束才有效,非零位移約束會被忽略。

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圖7 約束設(shè)置

7結(jié)果

求解完成,如下圖可顯示10個轉(zhuǎn)速工況下得到的模態(tài)分析結(jié)果。每個工況求了前6階模態(tài),即一共求得了60個模態(tài)結(jié)果。在進(jìn)行振型提取時分享個小技巧能極大的提高后處理效率:在柱狀頻率圖中鼠標(biāo)右擊選擇Select All,然后柱狀頻率圖會被選中顯示灰色,此時再次右擊鼠標(biāo)選擇Create Mode Shape Result, 然后Solution模型樹下面就會自動輸出每一階模態(tài)振型。

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圖

8 結(jié)果截圖

有些同學(xué)對坎貝爾圖不太明白,這里大致解釋下:由于陀螺效應(yīng),旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的特征頻率(固有頻率)與其旋轉(zhuǎn)速度相關(guān),計(jì)算不同旋轉(zhuǎn)速度時的頻率,可以得到各個模態(tài)頻率隨轉(zhuǎn)動速度的變化曲線,稱之為坎貝爾曲線。更多信息自行百度去哦。

本案例結(jié)果中坎貝爾圖如下圖9所示。橫坐標(biāo)表示設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速,縱坐標(biāo)指固有頻率,不同顏色的曲線代表不同階數(shù),Ratio設(shè)置為1時,Ration曲線與各階頻率曲線的交點(diǎn)就是臨界轉(zhuǎn)速Critical Speed。

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圖9 Campbell Diagram坎貝爾圖

求解結(jié)果顯示在1100rad/s范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)兩個臨界轉(zhuǎn)速718.61rad/s和740.37rad/s,故該轉(zhuǎn)子工作在這兩個極限轉(zhuǎn)速附近時很容易發(fā)生共振。各階曲線較為平緩表明這里陀螺效應(yīng)對轉(zhuǎn)子特征頻率影響不是很大。

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