某航空发动机涡轮叶片的振动特性试验及分析

作     者：董妍 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王福吉;范秀杰

授予年度：2016年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：涡轮叶片 振动特性测试 模态分析 有限元 

摘      要：作为航空发动机的主要零件之一,叶片的振动失效关系到整个发动机的工作可靠性问题,因此对其振动特性进行研究是十分必要的。本文以某型号航空发动机涡轮叶片为研究对象,基于振动台共振法、锤击法和ANSYS有限元计算三种方法对其振动特性进行了试验和分析,主要内容如下:(1)搭建了基于振动台共振法的叶片振动特性测试系统,采用电磁振动台激振叶片,利用应变计来测试叶片的应力分布,通过非接触式电涡流传感器测试了叶片的前三阶固有频率,并结合抛砂法确定了前三阶对应的振型,从多方面探讨了叶片固有频率及振动应力水平的影响因素。(2)基于锤击法对某航空发动机涡轮叶片进行了模态分析试验研究,阐述了试验的基本原理,并详细介绍了试验过程中测点规划、参数设置、传感器安装、传递函数激励方式以及模态识别判定等试验技巧。试验结果与基于振动台共振法的试验结果相吻合,验证了试验过程的正确性。(3)基于Solidworks软件对叶片进行实体建模,导入ANSYS软件后进行网格划分建立其有限元模型,依据叶片的实际装夹状态施加边界条件,然后对其固有特性进行求解,求解结果与基于共振法和锤击法的两种试验结果一致,验证了有限元模型及求解的正确性。在该有限元模型的基础上,结合航空发动机的工况,对叶片进行动频分析,对避免叶片共振的发生具有一定的理论指导意义。(4)对比上述三种分析方法,其中,基于锤击法的叶片振动模态分析试验运算速度快,但模态振型可能会出现一些偏差,且无法测试叶片应力分布。而基于振动台共振法的叶片振动特性测试试验,工作效率高,测试结果稳定,但前期试验准备时间长,比较适合企业批产叶片频率测试。基于ANSYS的有限元分析方法,结果与试验结果存在一定的误差但在允许范围内,又可以对叶片的动态模态进行预测,且更加节约时间和经济成本。因此,对于本文研究的新型号的航空发动机涡轮叶片而言,结合基于振动台共振法的叶片振动特性测试试验、基于锤击法的模态分析试验和ANSYS有限元分析方法,可以为该叶片的优化设计、振动安全性检验以及振动特性测试技术提供科学依据。