含呼吸式裂纹整体叶盘的振动特性分析

作     者：杜龙义 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王娇

授予年度：2023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：整体叶盘 振动特性分析 有限元仿真 局部化 呼吸裂纹 

摘      要：整体叶盘结构是为了增强航空发动机性能要求的核心部件,由于长期处于高温、高离心力等极端工作环境以及频繁起动、加速等条件的影响,会使压气机整体叶盘承受复杂的循环载荷以及大量弹性应力循环载荷作用,进而导致整体叶盘易于出现裂纹故障。现有研究主要集中在榫连轮盘质量失谐、刚度失谐、单扇区叶片失谐、张开裂纹对轮盘的振动特性分析,而针对呼吸式裂纹、裂纹分布以及叶片转角对整体叶盘振动局部化、非线性特性的研究较少。因此,本文采用有限元数值仿真分析方法和振动测试试验方法,分析了呼吸式裂纹对整体叶盘的振动特性的影响,主要研究内容如下:(1)基于ANSYS平台对简化整体叶盘有限元模型进行模态分析和瞬态响应分析,得到了易产生裂纹的位置位于叶片根部靠近排气边处,进而确定裂纹萌生的位置。分析了呼吸式裂纹长度、位置和转速对简化整体叶盘固有特性、频率转向以及振型转换的影响;研究了简化整体叶盘在无转速、定转速、变转速三种工况下的振动响应,发现了在变工况下存在呼吸效应、次谐波、超次谐波和超谐波现象。(2)采用共振法对有、无裂纹整体叶盘模拟试验件进行振动测试,验证有限元数值仿真的准确性。通过与数值仿真结果对比,发现试验值与仿真值的误差率处于工程允许的误差范围内,确认了有限元数值仿真方法的准确性;通过对比加速度不同时整体叶盘模拟试验件的加速度响应与瀑布图,发现出现裂纹后会导致固有频率变小,振幅增大。(3)研究了裂纹分布、叶片转角对含呼吸式裂纹整体叶盘频率转向、模态局部化的影响。裂纹分布不同时,发现频率转向区附近的模态阶次易出现模态局部化,并且只有一个或者数个叶片的模态局部化因子较大;叶片转角不同时,叶片转角为45°时,模态局部化现象显著,模态局部化因子最大。(4)研究了裂纹分布、叶片转角对含呼吸裂纹整体叶盘响应特性的影响。通过各个叶片叶尖的响应振幅与带有呼吸裂纹叶片的响应频谱、瀑布图对比分析了出现裂纹前、后整体叶盘的响应特性。裂纹分布不同时,发现相隔2个完整叶片裂纹分布整体叶盘的各个叶片响应振幅最大,且出现裂纹后出现峰值的响应向低频转移,频率带变宽变大,且在多处出现小波峰,响应局部化越来越显著;叶片转角45°含裂纹整体叶盘的振动响应出现了典型的非线性且响应局部化最显著。