航空發(fā)動機風扇轉子模態(tài)分析實例

2017-08-26 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1摘要:

采用三維軟件對航空發(fā)動機風扇轉子系統(tǒng)進行實體建模,模型導入 ANSYS Workbench 中進行有預應力的模態(tài)分析。提取了前6階固有頻率及模態(tài)振型進行了分析和處理,發(fā)現(xiàn)了模態(tài)振型的順序和規(guī)律;研究了與之相對應轉子系統(tǒng)的坎貝爾圖,結合發(fā)動機的工作轉速和振動安全裕度,比較風扇轉子工作轉速與臨界轉速,進行共振風險分析。

2引言:

隨著航空發(fā)動機涵道比和推重比的不斷加強,風扇轉子的質(zhì)量在整個發(fā)動機中所占比例也越來越大。任何的質(zhì)量不均勻和葉片失效事件都會造成風扇轉子不平衡轉動,轉子系統(tǒng)一旦產(chǎn)生重大的結構載荷和振動,將嚴重影響航空發(fā)動機的安全性和可靠性。在工作轉速范圍內(nèi),臨界轉速應當偏離工作轉速,盡量避免轉子在受到某種激勵之后產(chǎn)生的共振給轉子帶來的嚴重損壞。轉子系統(tǒng)的各階固有頻率和振型是承受動態(tài)載荷結構設計中的重要參數(shù)。模態(tài)分析可以預估這些參數(shù),得到的計算仿真數(shù)據(jù)可以為風扇轉子系統(tǒng)振動安全裕度的計算提供理論依據(jù)。

本文基于工業(yè)上廣泛使用的制圖軟件 SolidWorks對航空發(fā)動機風扇轉子系統(tǒng)(包含一個輪盤和一個主軸的裝配體)進行三維實體建模,并導入ANSYS Workbench中進行有預應力(即離心預應力效應、陀螺力矩效應以及旋轉軟化效應)的模態(tài)分析,得到其固有頻率和振型,其結果可為轉子的動態(tài)設計提供參考,對改善轉子的動態(tài)特性具有重要意義。

3案例描述:

現(xiàn)有一款航空發(fā)動機風扇轉子在一系列的轉速條件下運行,請在這些轉速工況下進行模態(tài)分析,求解每一種工況下的前6階模態(tài)振型和固有頻率,并且輸出坎貝爾圖得到轉子的臨界轉速。

4模型:

幾何模型如下圖所示,軸向有較多的圓角和倒角過渡,為達到較高的網(wǎng)格質(zhì)量故采用切分處理(不同顏色代表不同零件)。

圖1 模型

圖2 模型正視圖

網(wǎng)格模型如下圖。中間規(guī)則的軸為六面體網(wǎng)格,兩端有復雜特征的部分為四面體。

材料選擇默認結構鋼。

本文主要介紹仿真分析方法,請勿糾結網(wǎng)格和材料問題。

圖3 網(wǎng)格

5連接:

本案例涉及到兩種連接方式如下圖4,包括綁定接觸、和軸承支撐連接。綁定接觸連接為各個軸段之間的連接,軸承支撐連接布置在軸線上三個位置,位置如圖2所示。(懸空的三個圓盤只是軸承支撐連接標識,并不是幾何模型)。軸承支撐參數(shù)設置如下圖4,設置了軸向剛度阻尼,徑向剛度阻尼。

圖4 連接設置

6分析設置和載荷及約束

設置模態(tài)提取階數(shù)6,打開陀螺效應,打開坎貝爾圖開關,設計點數(shù)輸入10。如下圖5所示。

圖5 分析設置

設置10個旋轉角速度0.1,100,250,400,500,542,700,850,1000,1100。如下圖6所示。

圖6 轉速設置

設置約束條件。對軸左右兩個兩端的端面進行約束,允許X方向轉動,其他自由度全部設置為0。注意在模態(tài)分析中,0位移約束才有效,非零位移約束會被忽略。

圖7 約束設置

7結果

求解完成,如下圖可顯示10個轉速工況下得到的模態(tài)分析結果。每個工況求了前6階模態(tài),即一共求得了60個模態(tài)結果。在進行振型提取時分享個小技巧能極大的提高后處理效率:在柱狀頻率圖中鼠標右擊選擇Select All,然后柱狀頻率圖會被選中顯示灰色,此時再次右擊鼠標選擇Create Mode Shape Result, 然后Solution模型樹下面就會自動輸出每一階模態(tài)振型。