CN115270567A - 一种带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法，包括：对整机进行动应力测量，获得带凸肩的风扇转子叶片存在的共振转速、频率和振动应力；将风扇转子叶片一侧的凸肩进行切割，以发动机轴线为基准，按照预定角度周向反向旋转，旋转后在同一个带凸肩的风扇转子叶片上实现盆侧凸肩与背侧凸肩的相互接触，在切割面实施循环对称边界条件，得到简化的带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型；基于航空发动机整机动应力测量结果修正带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型的接触边界条件；对比航空发动机整机动应力测量结果与带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型的仿真结果，若对比分析结果满足要求，则结束，否则修正接触边界条件，直至满足要求。

Description

一种带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法
技术领域
本申请属于航空发动机技术领域，特别涉及一种带凸肩的风扇转子叶片及其振动特性分析方法。
背景技术
航空发动机的结构完整性和可靠性，对满足现代高性能航空发动机高推重比、高适用性、高可靠性、耐久性和低成本有着至关重要的作用，同时也严重制约着在研制发动机的目标和周期，影响现役飞机的飞行安全。发动机故障中最常见的就是叶片断裂问题，而为了提高叶片的可靠性，抑制叶片共振，工程中常常采用干摩擦阻尼结构进行减振设计，利用结构间的干摩擦作用将振动能量转化为热能形式进行耗散，从而降低结构的振动响应，例如在叶片上设置凸肩、带冠、缘板等结构形式实现上述目的。
凸肩结构广泛应用于风扇转子叶片，特别是大展弦比叶片，由于这类叶片特别长而且薄，进口气流不均匀性更大，特别容易发生气流诱发叶片振动问题——尤其是强迫振动和颤振，结构上也更容易发生破坏，一般风扇转子叶片大都采用凸肩结构。如图1所示，第一风扇转子叶片1与第二风扇转子叶片2之间通过第一风扇转子叶片右凸肩12和第二风扇转子叶片左凸肩21相互抵压接触，第一风扇转子叶片左凸肩11有左侧风扇转子叶片右凸肩相互抵压接触。一方面通过凸肩工作面间的干摩擦阻尼减小叶片振动，另一方面通过凸肩工作面配合连接提高叶片刚度。因此凸肩设计时既要考虑凸肩工作面的阻尼减振效果，保证凸肩对叶片一弯振动有足够的减振作用，同时又要考虑凸肩工作面的挤压情况，保证凸肩工作面不能出现大的应力集中现象。
目前在凸肩减振方面，多是通过调整凸肩参数来调节凸肩的减振效果，但在采用有限元软件进行凸肩振动特性时，大都采用多片相邻叶片接触的有限元模型才能够精准的模拟叶片振动特性，但此时存在大量的接触，而且计算模型的节点和单元较多，计算时间长且不易收敛。若想要更好的获得带凸肩风扇转子叶片的振动特性，有时需要至少定义5片叶片进行振动特性分析，计算时间更长。如图2所示的传统带凸肩型风扇转子叶片振动特性分析时采用的接触边界条件有限元模型中为5个叶片接触的有限元模型。
发明内容
本申请的目的是提供了一种带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
本申请的技术方案是：一种带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法，所述方法包括：
对航空发动机整机进行动应力测量，获得带凸肩的风扇转子叶片存在的共振转速、频率和振动应力，绘制带凸肩的风扇转子叶片实测的坎贝尔图；
将所述带凸肩的风扇转子叶片一侧的凸肩进行切割，然后以发动机轴线为基准，按照预定角度周向反向旋转，旋转后在同一个带凸肩的风扇转子叶片上实现盆侧凸肩与背侧凸肩的相互接触，在切割面实施循环对称边界条件，从而得到一个简化的带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型；
基于航空发动机整机动应力测量结果修正所述带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型的接触边界条件；
对比所述航空发动机整机动应力测量结果与所述带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型的仿真结果，若对比分析结果满足要求，则结束，否则重新修正所述带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型的接触边界条件，直至满足要求。
进一步的，切割凸肩旋转时，周向反向旋转所述凸肩。
进一步的，所述角度θ＝360/N，N为叶片数量。
进一步的，所述带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型的接触边界条件包括轮盘边界条件修正和接触面边界条件修正。
进一步的，所述轮盘边界条件修正过程包括：
开展所述带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型带轮盘和不带轮盘的振动特性分析，得到带轮盘和不带轮盘下的叶片振动特性数据；
将所述叶片振动特性数据与航空发动机整机动应力测量结果进行对比分析；
若两者差距大于预定值，则调整所述带凸肩的风扇转子叶片的盘榫连接参数，重复上述过程直至所述叶片振动特性数据与航空发动机整机动应力测量结果的差距满足要求。
进一步的，所述接触面边界条件修正过程包括：
在接触面内选取多个节点对；
保持除节点对以外的其它条件不变，仅改变节点对的协调约束方式，通过将计算得到的频率与航空发动机整机动应力测量结果进行分析，选取节点对协调约束方式下叶片的频率与航空发动机整机动应力测量结果最为接近的协调约束方式为接触面边界条件。
进一步的，所述节点对的协调约束包括法向协调约束、径向协调约束和三向协调约束。
本申请提供的带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法将振动特性分析模型进行简化，仅通过单个风扇转子叶片即可满足接触状态的精准模拟，从而大幅缩短带凸肩的风扇转子叶片振动特性的计算时间并极大提升计算精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为典型的两个带凸肩的风扇转子叶片结构示意图。
图2为传统带凸肩的5个风扇转子叶片接触的有限元模型。
图3为本申请的带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法流程图。
图4为本申请一实施例的风扇转子叶片凸肩切割模型示意图。
图5为本申请一实施例的凸肩接触面节点对示意图。
图6为本申请一实施例的凸肩切割、盘片耦合、接触面三向协调的频率计算结果与整机实测结果的坎贝尔图对比图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
为了克服现有技术中的仿真分析方法计算时间长、效率低的问题，本申请中提出了一种基于整机动应力测量结果进行修正的带凸肩风扇转子叶片振动特性分析方法，将振动特性分析模型进行简化，仅通过单个叶片即可满足接触状态的精准模拟，使得计算精度和计算效率有大幅的提升，确保发动机的安全可靠运行。
图3所示，本申请提供的带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法，包括以下步骤：
1)发动机整机动应力测量及结果分析
对航空发动机整机进行动应力测量，根据整机动应力测量结果确定带凸肩的风扇转子叶片(以下或简称风扇转子叶片)存在的共振转速、频率和振动应力，绘制带凸肩的风扇转子叶片实测的坎贝尔图。
2)风扇转子叶片的有限元模型切割
将风扇转子叶片上一侧的凸肩进行切割，然后以发动机轴线为基准，按照预定角度θ周向反向旋转，旋转后即可在一个叶片上实现盆侧凸肩与背侧凸肩的相互接触，在切割面实施循环对称边界条件，从而得到一个简化的风扇转子叶片有限元切割模型。该模型可以极大的降低仿真模型的节点数，提升计算效率。
其中，旋转的角度θ＝360/N，N为叶片数量。
以图1中所示的第一风扇转子叶片1和第二风扇转子叶片2为例，如图4所示，将第一风扇转子叶片1的第一风扇转子叶片右凸肩12进行切割，切割线位于第一风扇转子叶片右凸肩根部和第一风扇转子叶片右凸肩12与第二风扇转子叶片左凸肩21的凸肩接触面左端之间。切割后的第一风扇转子叶片右凸肩12分为分割凸肩根部121和分割凸肩122。分割凸肩122沿周向反向旋转角度θ而与第一风扇转子叶片1的第一风扇转子叶片左凸肩11接触上。在分割凸肩根部121和分割凸肩122的分割面施加循环对称的载荷等边界条件，从而得到简化的第一风扇转子叶片1有限元切割模型。
3)基于整机试验结果的接触边界条件修正
虽然通过模型切割可以使得凸肩达到接触状态，但凸肩的接触边界条件尚不清楚，因此本申请中基于整机实测结果开展边界条件修正，具体包括：
3.1)轮盘边界条件修正。
风扇转子叶片一般采用盘榫连接结构，轮盘会对风扇转子叶片的振动特性有较大影响，本申请中首先开展风扇转子叶片的有限元切割模型带轮盘和不带轮盘的振动特性分析，得到带轮盘和不带轮盘下的风扇转子叶片振动特性数据，包括频率、振动应力等，并与整机动应力测量结果进行对比分析。若两者差距较大，则调整盘榫连接参数，例如约束力大小参数等。经多轮迭代，得到较为准确的盘榫连接模型，通过盘榫连接模型可以更好模拟叶片的真实工作状态，计算得到的频率与实测结果更为接近。
3.2)接触面边界条件修正。
由于风扇转子叶片接触后存在一定的接触压力，但尚不清楚工作状态的真实接触状态。因此，为了能更好对比不同边界条件下叶片的振动特性，本申请中通过在接触面内选取多个节点对进行分析，分析时保持其它条件不变，仅改变节点对的协调约束方式，即法向协调约束、径向协调约束、三向协调约束，通过将计算得到的频率与整机实测结果进行分析对比，选取频率最为接近的边界条件。
如图5所示为本申请一实施例中的节点对示意图，节点对选取了6个，在接触面上大致的均匀部分。在本申请优选实施例中，节点对优先采用三向协调约束，三向协调约束的频率与实测结果的一致较好。
4)实测结果与仿真结果对比分析
若实测结果与仿真结果对比分析结果满足要求，则结束，否则返回重新修正接触边界条件。
将凸肩切割、盘片耦合、接触面三向协调的频率计算结果与整机实测结果通过坎贝尔图进行对比，如图6所示，通过图6可以发现计算结果和实测结果基本相当，计算精度和计算效率有大幅提升。
本申请提供的带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法将振动特性分析模型进行简化，仅通过单个风扇转子叶片即可满足接触状态的精准模拟，从而大幅缩短带凸肩的风扇转子叶片振动特性的计算时间并极大提升计算精度，对其它类似结构——如叶冠的振动特性分析具有指导意义。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法，其特征在于，所述方法包括：
对航空发动机整机进行动应力测量，获得带凸肩的风扇转子叶片存在的共振转速、频率和振动应力，绘制带凸肩的风扇转子叶片实测的坎贝尔图；
将所述带凸肩的风扇转子叶片一侧的凸肩进行切割，然后以发动机轴线为基准，按照预定角度周向旋转，旋转后在同一个带凸肩的风扇转子叶片上实现盆侧凸肩与背侧凸肩的相互接触，在切割面实施循环对称边界条件，从而得到一个简化的带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型；
基于航空发动机整机动应力测量结果修正所述带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型的接触边界条件；
对比所述航空发动机整机动应力测量结果与所述带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型的仿真结果，若对比分析结果满足要求，则结束，否则重新修正所述带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型的接触边界条件，直至满足要求。
2.如权利要求1所述的带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法，其特征在于，切割凸肩旋转时，周向反向旋转所述凸肩。
3.如权利要求2所述的带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法，其特征在于，所述角度θ＝360/N，N为叶片数量。
4.如权利要求1所述的带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法，其特征在于，所述带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型的接触边界条件包括轮盘边界条件修正和接触面边界条件修正。
5.如权利要求4所述的带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法，其特征在于，所述轮盘边界条件修正过程包括：
开展所述带凸肩的风扇转子叶片有限元切割模型带轮盘和不带轮盘的振动特性分析，得到带轮盘和不带轮盘下的叶片振动特性数据；
将所述叶片振动特性数据与航空发动机整机动应力测量结果进行对比分析；
若两者差距大于预定值，则调整所述带凸肩的风扇转子叶片的盘榫连接参数，重复上述过程直至所述叶片振动特性数据与航空发动机整机动应力测量结果的差距满足要求。
6.如权利要求4所述的带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法，其特征在于，所述接触面边界条件修正过程包括：
在接触面内选取多个节点对；
保持除节点对以外的其它条件不变，仅改变节点对的协调约束方式，通过将计算得到的频率与航空发动机整机动应力测量结果进行分析，选取节点对协调约束方式下叶片的频率与航空发动机整机动应力测量结果最为接近的协调约束方式为接触面边界条件。
7.如权利要求6所述的带凸肩的风扇转子叶片振动特性分析方法，其特征在于，所述节点对的协调约束包括法向协调约束、径向协调约束和三向协调约束。
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