崔智勇 李曙光 龍波 苗國(guó)磊

摘? 要：采用ANSYS軟件對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶渦輪葉片的振頻進(jìn)行了分析，在有限元模型的基礎(chǔ)上加載邊界條件及約束關(guān)系，計(jì)算出葉片在設(shè)計(jì)工況下的振動(dòng)頻率。設(shè)計(jì)評(píng)估葉片振動(dòng)頻率，避開(kāi)由于重要激勵(lì)因素引起的振動(dòng)。評(píng)估替代材料的可行性。

關(guān)鍵詞：ANSYS;單晶渦輪葉片;振頻分析

1 引言

目前，現(xiàn)役航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶渦輪葉片，由于葉片短，材料密度大，振動(dòng)頻率高，這種新型材料要適應(yīng)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)需評(píng)估替代材料葉片的振動(dòng)頻率，避開(kāi)由于重要激勵(lì)因素引起的振動(dòng)和共振，對(duì)單晶渦輪葉片開(kāi)展振動(dòng)特性計(jì)算分析。

2 理論基礎(chǔ)

其中[M]為質(zhì)量矩陣，是根據(jù)每個(gè)單元密度以單元計(jì)算出來(lái)的，一致質(zhì)量矩陣式通過(guò)單元的各節(jié)點(diǎn)平分，非對(duì)角線單元為零，表明質(zhì)量集中分配到節(jié)點(diǎn)上。[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣。

式中為特征向量，表示第i階自振頻率的振型，ωi為i階自振角頻率（rad/s），表示i階模態(tài)的固有頻率（特征值），自振頻率：fi=ωi/2π。

模態(tài)分析中忽略阻尼，忽略施加載荷。預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析前要執(zhí)行靜力結(jié)構(gòu)分析。

3有限元模型

采用ANSA軟件對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元模型見(jiàn)圖1。其中單元數(shù)為119744，節(jié)點(diǎn)數(shù)為206245。用ANSYS17.0進(jìn)行計(jì)算和后處理，計(jì)算坐標(biāo)系為柱坐標(biāo)系，坐標(biāo)系軸向沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線，順氣流方向?yàn)檎鴺?biāo)系徑向遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)軸線方向?yàn)檎?，坐?biāo)系周向由右手法則確定，燃?xì)鉁u輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，進(jìn)、排氣邊網(wǎng)格設(shè)置劃分相對(duì)于葉身尺寸小、精度高。

4 工況

單晶渦輪葉片與渦輪盤(pán)組合成渦輪轉(zhuǎn)子，工作時(shí)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，起飛最大轉(zhuǎn)速38500 轉(zhuǎn)/分（100%），最大連續(xù)轉(zhuǎn)速37800轉(zhuǎn)/分（98.3 %）。

5 材料數(shù)據(jù)

渦輪葉片材料是“單晶”金屬合金，材料數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

8結(jié)論

理論計(jì)算燃?xì)鉁u輪工作葉片采用進(jìn)口材料、替代材料的一階彎曲振動(dòng)頻率分別為5265.7 Hz、5188.4 Hz，相差77.3 Hz，相差較小較為接近，采用替代材料進(jìn)行替代的可行性強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]小楓工作室編.最新經(jīng)典ANSYS及Workbench教程（第一版）.北京：電子工業(yè)出版社，2004.6

作者簡(jiǎn)介：崔智勇，1970年，高級(jí)工程師，主要從事航空產(chǎn)品研制工作。D56A1769-15CF-4E0E-A4A9-A06FE7550D6F