CN111523182B - 一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法；首先，采用非线性谐波法对叶片流道内的流场进行非定常分析，得到叶片表面的非定常载荷分布，采用傅里叶变换提取关键频率所对应的载荷，获得叶片所受气动激振力；然后，对叶片及其流道内的流场进行流固耦合分析，分析叶片振动时气动力对叶片所做的气动功，根据能量等效原理获得叶片在流场中振动的各阶模态气动阻尼比；最后，将气动激振力与各阶模态气动阻尼比加载到叶片上，采用模态叠加法对叶片进行振动响应分析；该分析方法可以高效、准确地分析叶片在非定常气动力作用下的振动响应，为发动机的安全保障和设计工作提供支持。
Description
技术领域
本发明涉及航空系统技术领域，主要涉及一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法。
背景技术
随着现代飞机的发展，人们对航空发动机有着更高的要求，一方面要求其推力大、推重比、高和耗油率低，另一方面要求其可靠性高、寿命长和重量轻等特点。目前各种新技术的使用，提高了压气机的增压比和效率，但使得压气机叶片表面气动载荷大大增加，叶片振动问题严重，进而引起叶片的高周疲劳失效(HCF)。叶片一旦发生断裂故障，断片可能将其它级叶片打坏甚至打穿机匣，从而严重损坏发动机，甚至造成飞行事故。
为了保证发动机的安全，需要在发动机设计之初对叶片的振动应力进行预估，因此，建立一套准确的叶片振动响应分析方法成为发动机设计工作的关键点之一。但是，发动机叶片的工作环境是复杂的非定常流场，分析叶片的振动响应是一个流固耦合问题，完整的求解固体和流体方程来计算叶片振动响应的精确解是一项计算量巨大、计算成本高昂的工作。将气体力对叶片的作用分解为激励作用和阻尼作用，分别分析叶片在流场中的气动激振力和气动阻尼，并在各个部分中考虑流固耦合的作用，同时保证了计算的精度。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法，将气体力对叶片的作用分解为激励作用和阻尼作用，分别分析叶片在流场中的气动激振力和气动阻尼，并在各个部分中考虑流固耦合的作用，同时保证了计算的精度。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法，包括气动激振力分析、气动阻尼分析以及叶片振动响应分析三个部分，具体包括以下步骤：
步骤S1、采用非线性谐波法对叶片流道内的流场进行非定常分析，获得叶片表面所受的非定常载荷，通过傅里叶变换对非定常结果进行频谱分析，根据不同频率对应的幅值，根据振幅从大到小顺序提取若干阶关键频率及其对应载荷来模拟原流场，通过流固耦合接口程序，获得叶片表面所受的气动激振力；
步骤S2、基于能量法和弱流固耦合分析法，对叶片以及其流道的流场进行流固耦合分析，对叶片进行模态分析，获得各阶固有频率与振型，编写动网格控制程序使得流体域内的叶型边界面以叶片的各阶固有模态形式做周期运动，通过气动阻尼积分计算程序，获得气动力对叶片所做的气动功，根据能量等效原理获得叶片的各阶模态气动阻尼比；
步骤S3、基于步骤S1获得的叶片表面的气动力激振力和步骤S2获得的叶片各阶模态气动阻尼比，采用模态叠加法对叶片进行振动响应分析。
进一步地，所述步骤S1中对叶片流道内流场进行非定常分析过程中，所述流场非定常分析的对象为整圈流道，流场进口输入条件包括轮盘转速、总温、总压边界条件，出口输入条件包括静压边界条件，并且进口总温、总压和出口静压边界条件都以特定的函数形式随时间变化。
进一步地，所述流场非定常分析采用的计算软件为NUMECA。
进一步地，所述步骤S1中所述的流固耦合接口程序，采用插值法将流场计算得到的气动激振力加载到固体叶片上。
进一步地，所述步骤S1中所述的流固耦合接口程序，采用MATLAB以及ANSYS APDL二次开发语言编写。
进一步地，所述步骤S2中的动网格控制程序，由MATLAB语言编写，将叶片固体域网格各个节点的运动幅值按照振型向量设置后，采用插值法加载到流体域的流固耦合边界面的网格节点上，从而控制流体域的流固耦合边界面运动。
进一步地，步骤S2所述的气动阻尼积分计算程序，由MATLAB语言编写，将叶片振动的一个周期分为100个时间步，每个时间步内各个节点的位移与气动力的乘积即为气动力所做的气动功；将流固耦合边界面上所有节点、所有时间步的气动功累加，得到叶片振动一个周期内气动力对整个叶片所做的气动功。
进一步地，所述步骤S2中计算叶片各阶气动阻尼比时，阶数不低于6阶。
有益效果：本方法具备以下优点：
(1)将气体力的作用分解为激励作用与阻尼作用的，并且在两个部分中都考虑了流固耦合效应的影响，所以本发明在保证求解精度的前提下，减小了求解叶片振动响应过程中的计算量，提高了计算效率。
(2)本发明在求解过程中，无需编写针对特定问题专用的流固耦合求解程序，仅在现有商用计算软件基础上进行分析就可以得到结果，所以本发明有着较低的计算成本。
(3)本发明在求解过程中，多处采用了插值法进行流体域与固体域之间的数据传递，所以本发明对所求解叶片的叶型有更广泛的适用性。
(4)本发明解决了非定常气动力作用下叶片振动响应的准确、高效求解问题，所以本发明具有实际的工程意义，可供工程人员参考，具有可观的应用前景。
附图说明
图1是本发明提供的分析方法流程图；
图2是本发明实施方式中的整圈叶片模型；
图3是本发明实施方式中的气动激振力分布云图；
图4是本发明实施方式中的单一叶片固体模型；
图5是本发明实施方式中的单一叶片流道的流场模型；
图6是本发明实施方式中的叶盆振动应力分布云图；
图7是本发明实施方式中的叶背振动应力分布云图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
针对某型发动机压气机中的叶片模型，建立1.5级三排(前排静子、转子和后排静子)单通道扇区流场计算模型，如图2所示，各排叶片数目如表1所示。
表1叶排叶片数目
首先，采用非线性谐波法对叶片流道内的流场进行非定常分析，获得叶片表面所受的非定常载荷，采用傅里叶变换对非定常结果进行频谱分析，根据不同频率对应的幅值，提取振幅较大的前几阶关键频率和对应载荷来模拟原流场，通过流固耦合接口程序，获得叶片表面所受的气动激振力。
非定常计算时，设置进口总温、进口总压、出口静压以及轮盘转速。采用HarmonicMethod进行非定常计算，以相同进、出口边界条件下的定常计算结果为初场，采用非线性谐波法求解。为提高计算效率，每个扰动的谐波数设置为3。
流体域的计算得到了叶片表面非定常压力分布，编写流固耦合接口程序，由于流体域网格与固体域网格不匹配，采用MATLAB语言编写流固网格节点插值程序，采用ANSYSAPDL二次开发语言，将插值过后的非定常压力完成向气动激振力的转化，各面单元的压力与该单元的面积相乘，得到该单元的气动力，气动力分解，分别加载到面单元各节点，如图3所示。
接着，基于能量法和弱流固耦合分析法，对叶片以及其流道的流场进行流固耦合分析，对叶片进行模态分析，获得各阶固有频率与振型，编写动网格控制程序使得流体域内的叶型边界面以叶片的各阶固有模态形式做周期运动，通过气动阻尼积分计算程序，获得气动力对叶片所做的气动功，根据能量等效原理获得叶片的各阶模态气动阻尼比。
建立单一叶片固体模型以及其流道的流场模型，如图4和图5所示，在固体域对叶片施加根部固支约束，设置轮盘转速，进行模态分析，获得叶片各阶固有频率与振型。采用ANSYS APDL二次开发语言将叶片各阶模态振型导出，获得叶片固体域网格节点的位移，通过MATLAB语言编写插值程序把叶片固体域网格节点位移插值到流体域网格节点中，然后将流体域网格节点的位移写入到CFX的动网格控制程序中，并定义运动频率为叶片固有频率。
非定常计算时，导入动网格控制程序，设置进口总温、进口总压、出口静压以及轮盘转速。设置非定常计算的计算时间步长和总时间步长，为了提高计算的精度，叶片振动一个周期设置为含有100个时间步。计算得到每个时间步内每个节点的位移和气动力，通过MATLAB语言编写计算程序计算叶片振动一个周期内，气动力对整个叶片所做总的气动功。基于能量等效原理，获得前八阶模态的气动阻尼比，如表2所示。
表2叶片各阶模态气动阻尼比
最后，将所得气动力激振力和叶片各阶模态气动阻尼比，采用模态叠加法对叶片进行振动响应分析。
将气动激振力加载到转子叶片上，各阶模态阻尼比设置为计算获得的叶片各阶模态气动阻尼比，通过ANSYS中的模态叠加法进行谐响应计算，叶盆和叶背的振动应力分布云图如图6和图7所示，除去叶片固支带来的在叶片根部应力集中，叶身最大振动应力约为100MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法，其特征在于，包括气动激振力分析、气动阻尼分析以及叶片振动响应分析三个部分，具体包括以下步骤：
步骤S1、采用非线性谐波法对叶片流道内的流场进行非定常分析，获得叶片表面所受的非定常载荷，通过傅里叶变换对非定常结果进行频谱分析，根据不同频率对应的幅值，根据振幅从大到小顺序提取若干阶关键频率及其对应载荷来模拟原流场，通过流固耦合接口程序，获得叶片表面所受的气动激振力；
步骤S2、基于能量法和弱流固耦合分析法，对叶片以及其流道的流场进行流固耦合分析，对叶片进行模态分析，获得各阶固有频率与振型，编写动网格控制程序使得流体域内的叶型边界面以叶片的各阶固有模态形式做周期运动，通过气动阻尼积分计算程序，获得气动力对叶片所做的气动功，根据能量等效原理获得叶片的各阶模态气动阻尼比；
步骤S3、基于步骤S1获得的叶片表面的气动激振力和步骤S2获得的叶片各阶模态气动阻尼比，采用模态叠加法对叶片进行振动响应分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法，其特征在于，所述步骤S1中对叶片流道内流场进行非定常分析过程中，所述流场非定常分析的对象为整圈流道，流场进口输入条件包括轮盘转速、总温、总压边界条件，出口输入条件包括静压边界条件，并且进口总温、总压和出口静压边界条件设定为随时间变化的函数形式。
3.根据权利要求2所述的一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法，其特征在于，所述流场非定常分析采用的计算软件为NUMECA。
4.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法，其特征在于，所述步骤S1中所述的流固耦合接口程序，采用插值法将流场计算得到的气动激振力加载到固体叶片上。
5.根据权利要求4所述的一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法，其特征在于，所述步骤S1中所述的流固耦合接口程序，采用MATLAB以及ANSYS APDL二次开发语言编写。
6.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法，其特征在于，所述步骤S2中的动网格控制程序，由MATLAB语言编写，将叶片固体域网格各个节点的运动幅值按照振型向量设置后，采用插值法加载到流体域的流固耦合边界面的网格节点上，从而控制流体域的流固耦合边界面运动。
7.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法，其特征在于：步骤S2所述的气动阻尼积分计算程序，由MATLAB语言编写，将叶片振动的一个周期分为100个时间步，每个时间步内各个节点的位移与气动力的乘积即为气动力所做的气动功；将流固耦合边界面上所有节点、所有时间步的气动功累加，得到叶片振动一个周期内气动力对整个叶片所做的气动功。
8.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法，其特征在于：所述步骤S2中计算叶片各阶气动阻尼比时，阶数不低于6阶。
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