考虑阻尼的航空发动机转子叶片的振动分析

【类型】学位论文

【作者】彭海 

【关键词】 发动机叶片 非线性振动 阻尼 多尺度法 有限元

【摘要】叶片结构在活塞发动机作为动力装置的时代，就已经被运用到飞机上，如飞机前端的螺旋桨叶片。飞机飞行速度的提高，受到螺旋桨叶片效率的制约，研究人员必须寻找新的动力装置，1913年，法国工程师雷恩罗兰获得第一个喷气发动机专利，涡轮喷气发动机的出现，动力装置由间接反作用力推进系统转变为直接反作用力推进系统，叶片除了作为螺旋桨结构，如直升飞机顶部的螺旋桨、小型飞机机翼上或者前部的螺旋桨等，更被直接运用发动机中。发动机作为飞机的“心脏”一直是航空领域最为重要的研究课题之一，随着新型飞机的研制，飞机的飞行速度越来越快，对发动机性能的要求越来越高。为了满足发动机的要求，研究人员采用了将发动机叶片设计为空间曲面形状以及设计叶片冷却通道等诸多方法，但这些使得叶片变为一个非常复杂的结构，叶片的振动问题在理论上难以得到精确的结果。文章在前人研究的理论基础上，将叶片简化为悬臂薄板模型，运用Galerkin方法、多尺度方法以及mathematic软件，对叶片进行分析得到解析结果，同时采用大型有限元计算软件ANSYS对叶片进行有限元分析。得到的解析结果和有限元分析结果与实验数据比较，三者较为符合，对发动机叶片的设计和研发具有一定的参考价值。文章以发动机转子叶片为例，对叶片的振动问题进行了研究，共分为五个部分。第一章简要介绍了课题提出的背景、航空发动机的发展历程以及发动机叶片的研究理论、技术手段等，第二章对本文涉及到的理论知识做了概括性的阐述，主要包括有限元基础理论、伽辽金方法以及ANSYS有限元软件等。第三章对单个叶片的线性振动进行了分析，理论分析上将叶片简化为悬臂薄板模型，分别分析了无阻尼和考虑阻尼两种情况下的振动问题，考虑了叶片的长宽比以及阻尼参数对叶片振动的影响；运用ANSYS有限元软件对三种材质叶片的实际模型进行了模态分析、谐响应分析，得到叶片振动的各阶固有频率、振型及响应图，与实验数据相符合。第四章对发动机叶片在简谐载荷作用下的有阻尼非线性振动进行了理论分析，与线性情况比较，得到叶片非线性振动的一些特性。第五章介绍了利用20节点的三维立体单元建立有限元平衡方程的方法，并采用三维立体单元对定轴转动叶片进行了ANSYS有限元分析，得到了不同转速下叶片的振动频率及离心力作用下叶片叶身应力分布情况。最后对本文的工作进行总结，并对发动机叶片技术的未来作了展望。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】湖南大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】唐驾时

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