基于变厚度壳单元的旋转叶片固有特性分析

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1、第39卷第5期2013年10月航空发动机AeroengineV01．39No．50ct．2013基于变厚度壳单元的旋转叶片固有特性分析马辉，能海强，宋溶泽，张志，闻邦椿(东北大学机械工程与自动化学院，沈阳110819)马辉(1978)，男，副教授，主要研究方向为故障诊断、非线性振动和转子动力学。基金项目：中央高校基本科研业务费专项基金(N100403008)、教育部新世纪人才支撑计划(NCET—l1-0078)资助收稿日期：2012—12-28摘要：针对1个扭型、变截面旋转叶片，基于ANSYS有限元软件，采用变厚度壳单元来模拟真实叶片的方法建模，并与实体单元模型

2、对静频和固有振型进行对比，验证了该建模方法的准确性；在此基础上分析了科氏力、旋转软化、离心刚化以及三者耦合对叶片动频特性的影响规律；基于壳单元动频数据，对现在常用的动频系数经验公式的适用性进行了简单评价。研究结果表明：2种模型的动频规律一致，对系统影响由大到小依次为离心刚化、旋转软化和科氏力；叶片A0振型的动频系数吻合较好，A1振型的反之。关键词：旋转叶片；固有特性；壳单元；ANSYS；动频NaturalCharacteristicAnalysisofRotatingBladeBasedonVariableThicknessShelIElementMAHui，N

3、AIHai—qiang，SONGRong—ZE，ZHANGZhi，WENBang—chun(SchoolofMechanicalEngineering&Automation，NortheasternUniverSiW，Shenyang11()819．China)Abstract：Takingarotatingvariablecross—sectiontwistedbladeastheresearchobject，thefiniteelementmodelofthebladewasestablishedusingvariablethicknessshellelem

4、entbasedonANSYSsoftware．Thecomparisonbetweenstaticfrequenciesandtheirmodelshapeswasconductedtovalidatetheaccuracyofmodelingmethod．ThentheinfluenceslawofCoriolisforce，spinsoftening，centrifugalstiffeningandcouplingofthemondynamicfrequenciesofthebladewereanalyzedbasedonthemodel．Finally，

5、thecommonempiricalformulasofdynamicfrequencycoemcientswereevaluatedbasedonthedynamicfrequencydataoftheshellelementmodel．Thestudyshowsthatthelawofdynamicfrequenciesreceivedfromtheshellelementmodelisingoodagreementwiththatfromasolidelementmodel．Theeffectsarelistedfromlargetosmallasfoll

6、ows：centrifugalstiffening，spinsofteningandCoriolisforce．Inaddition，dynamicfrequencycoefficientsoftheAOvibrationmodeareingoodagreementwiththeresultsfromotherreferences，whereastheresultofA1vibrationmodeisjustthereverseofthatofAO．Keywords：rotatingblade；naturalcharacteristics；shellelemen

7、t；ANSYS；dynamicfrequency0引言旋转叶片的振动和疲劳损伤故障是航空发动机中较为严重的问题。一般说来，研究透平机械叶片的振动问题首先需研究其同有特性，从而据此对叶片进行振动测试和故障诊断，旋转叶片的固有特性主要指动频特性和相应的模态振型I”。叶片高速旋转时受到离心应力和科氏力的作用，产生旋转软化和应力刚化效应，因而在叶片固有特性分析时必须考虑这些因素。国内外许多学者针对叶片固有特性的分析作了大量研究工作。如采用梁单元来模拟叶片进行固有频率和振动响应分析∞1。但由于梁模型忽略了叶片弦向的弯曲变形，顺翼展方向的变形并且扭转也涉及得很少，对于典型的

8、非对称叶片不能精确计算叶