某型航空发动机压气机叶片振动疲劳寿命研究

以某型航空发动机压气机叶片为研究对象,在室温条件下进行了一阶弯曲振动疲劳试验,确定了叶片1×107循环基数下的振动疲劳极限.疲劳寿命分析表明在低振动应力下,Basquin方程可以很好地预测叶片的振动疲劳寿命.但在较高振动应力下,Basquin方程预测叶片的疲劳寿命偏于危险,原因在于Basquin方程不能反映塑性滑移对疲劳损伤的影响.为解决这一问题,引入了一个新的应变比因子对Basquin方程进行了修正.对于较高振动应力770MPa和740MPa下叶片的振动疲劳寿命而言,修正后的方程寿命预测误差分别为78.7%和38.5%.与原始Basquin方程相比,修正后的方程寿命预测精度分别提高了66.0%和19.2%.     

航空发动机复合材料叶片振动疲劳特性研究

针对发动机复合材料叶片开展了振动疲劳特性研究。首先通过模态测试获得叶片结构的振型图,确定叶片在振动中应力最大部位疲劳薄弱部位;其次采用振动台施加窄带随机激励载荷,并监测其疲劳薄弱部位的应变水平,获得了复合材料叶片的振动响应及疲劳特性。试验结果显示,叶片在350με应变水平下的振动疲劳寿命为5.46×106;复合材料叶片的固有频率随试验时间的增加而降低。上述结果可为复合材料叶片在发动机中的应用提供部分依据。     

基于有限元方法的航空发动机叶片应力强度因子计算

为研究叶片裂纹尖端的应力奇异性,以某型航空发动机压气机叶片为例,利用有限元方法研究了叶片裂纹尖端应力强度因子的计算方法,并研究了旋转叶片振动状态下裂尖应力强度因子随裂纹长度的变化规律。建立计算模型时,在裂纹尖端划分了三维奇异单元,在裂尖外围划分了过渡单元。计算结果表明：研究旋转叶片振动状态下的裂尖应力奇异性,仅利用I型应力强度因子就具有足够的精度;对于同一裂纹,绝大多数情况下叶盆面应力强度因子大于叶背面应力强度因子,故研究叶片应力强度因子时只需研究叶盆应力强度因子即可;随着裂纹扩展,叶盆面I型应力强度因子不断增大。本文的研究方法及结论为进一步研究叶片的裂纹扩展规律及损伤容限奠定了基础。     

考虑刚体运动与弹性运动耦合影响的旋转叶片振动有限元分析

本文研究了旋转叶片的纵向振动和双向横振动,考虑了刚体运动和弹性振动的耦合关系,利用有限元法推导出离散系统动力学方程,从而引出陀螺特征值问题。本文就某一特例了计算了在不同转速时叶片振动的自然频率,讨论了转速对振动频率的影响。     

航空发动机压气机叶片振动疲劳裂纹扩展规律研究

以某型航空发动机压气机2级转子叶片为例,研究了叶片的振动疲劳裂纹扩展规律。研究过程中,首先利用有限元方法分别计算了试验状态与工作状态下叶片振动导致的裂纹尖端应力强度因子范围随裂纹长度的变化;试验研究了裂纹扩展速率与裂纹长度的关系。之后,综合计算结果和试验结论,得出叶片试验状态与工作状态下的裂纹扩展规律,并与Paris公式进行了比较,发现叶片的振动疲劳裂纹扩展速率dad N是与裂纹长度a和裂尖应力强度因子范围IΔK相关的多项式,而Paris公式不能描述叶片的振动疲劳裂纹扩展现象。研究结论可进一步确定叶片的损伤容限、确定合理的叶片检修周期,为保障飞行安全奠定基础。     

薄膜横向振动的有限元分析

构造了一种3节点三角形膜单元,以适用于平面薄膜横向振动的有限元分析.在给出单元形函数的基础上,根据最小势能原理建立了薄膜自由振动方程,并推导了单元刚度矩阵和单元质量矩阵.研究结果表明,单元刚度矩阵和单元质量矩阵形式简单,且自由度少;通过两个典型算例,证明3节点三角形膜单元的计算结果非常接近理论解,同时可以达到很高的精度...     

航空发动机压气机叶片振动疲劳寿命与af值的关系

以某型航空发动机低压压气机2级转子叶片一阶弯曲振动时不同af值(叶尖振幅与叶片固有振动频率乘积)及相应的振动疲劳寿命的试验结果为出发点,建立了叶片振动疲劳寿命与af值的关系,所得关系与传统的S-N关系相比,既不是幂函数也不是指数函数。叶片振动疲劳寿命与af值关系的建立,一方面提供了确定叶片振动疲劳寿命的可能,另一方面提供了研究材料多轴高周疲劳行为的新途径。     

考虑榫接接触刚度的叶轮耦合振动特性计算方法研究

对叶片轮盘典型榫接结构的接触刚度进行了分析,给出了叶轮间接触刚度的计算方法;建立了叶片轮盘榫接耦合计算模型,采用对称循环分析方法对叶轮进行振动特性计算,得到叶轮耦合结构在不同工作转速下的振型及频率;对叶轮耦合结构进行锤击模态试验得到实际频率值。本文计算值与实测值在前3阶的相对误差分别为2.38%、1.58%、3.18%,误差均较小,验证了本文方法的可行性。     

基于某型航空发动机飞行参数的涡轮转子叶片疲劳/持久寿命分析

在对某型发动机飞行参数记录仪(简称"飞参")记录的数据进行分析的基础上统计了此发动机的实际工作循环载荷谱、高压涡轮转速与排气温度时间相关矩阵;并指出了理论载荷谱与基于飞参数据的实际使用载荷谱的区别;根据温度场和应力场的有限元计算结果,确定叶身中部温度最高点、伸根处应力最大点、叶身根部应力和温度均较高的点为寿命分析考核点...     

基于显式有限元方法的两相多孔介质地震反应研究

基于流体饱和两相多孔介质的弹性波动方程组,运用显式逐步积分格式与局部透射人工边界相结合的时域显式有限元方法对该波动方程组进行求解,对两相多孔介质在输入地震波作用下的弹性动力反应进行了计算和分析,以揭示两相多孔介质弹性地震反应的规律和性质.计算结果表明:两相介质弹性地震反应时程的波形与入射地震波的波形相同,且弹性地震反应的峰值出现的时刻对应于入射地震波的峰值出现的时刻.本文的数值计算同时表明了时域显式有限元方法在进行两相多孔介质地震反应计算分析时的有效性.     

航空发动机压气机叶片振动频率与温度的关系

以某型航空发动机压气机第六级叶片为例，研究了温度对叶片振动频率的影响。发现由于温度的升高导致了材料弹性模量的下降，而弹性模量的下降又导致了叶片在发动机一定的转速范围内，除一阶振动外，其余各阶振动的动频均小于静频，因此与通常的工程处理方法不同，研究压气机叶片的动频时，应考虑温度的影响。     

压缩机叶片动频率无线电遥测和有限元计算

本文叙述了在诊断西德DEMAG压缩机转子叶片断裂事故中采用的现代无线电遥测技术和先进的有限元计算方法.自行设计研制的现代遥测系统具备了计算机处理和实时处理功能.采用快速富里哀变换进行频谱分析,叶片动频率计算考虑了转动叶片的离心力,严格地作为几何非线性问题处理.计算中使用的是八节点四十自由度超参数壳体单元.计算结果和试验结果获得了令人满意的一致.按本文分析改进叶片已安全运行17400小时.     

随机连续梁弯曲振动系统的频率可靠性分析

根据随机连续梁弯曲振动系统的固有频率与激振频率差的绝对值不超过规定值的关系准则,定义了随机连续梁弯曲振动系统的可靠性模式和系统的可靠度,提出了避免共振的频率可靠性分析方法,对随机连续系统共振问题的准失效分析方法进行了探索。     

基于频率二阶摄动的结构损伤识别方法

结构损伤的定位和定量是结构健康监测的关键技术之一。本文将矩阵摄动理论、结构振动理论和有限元理论相结合推导出结构固有频率变化的二阶摄动公式,由此公式可以反演结构的损伤位置与损伤程度。该方法仅需要在役结构的固有频率测量值就能识别出结构的损伤位置和损伤程度,而且还可以识别出结构的老化程度。通过数值仿真算例证明了该方法的有效性和实用性。该方法可用于大型结构的损伤识别和健康监测。     

汽轮机叶片静态和动态应力的三维有限元分析

提出了一种三维实体混合单元模型来分析汽轮机叶片静肪的动态应力。考虑到转动叶片的刚性变化,静应力的计算采用了非线性方法,在分析叶片的动频后,应用模态迭加法计算了叶片的响应,得到了叶片的动态应力。从文中的实际叶片算例可以看出,所提供的分析模型可以精确直观地反映叶片的静态和动态应力状况,为工程中实际中片地固有频率和静动应力分析提供了强有力的工具。     

接触状态对叶根轮槽应力分布影响的研究

汽轮机叶片叶根、轮槽连接区域常因加工误差及磨损等原因导致接触状态的改变,从而改变整个区域应力分布并大大降低汽轮机的使用寿命。本文运用数字光弹性技术实验测试了长叶片叶根、轮槽在不同接触状态下的应力分布情况,同时结合有限元进行了仿真计算。结果表明,叶根、轮槽对称接触时,全部齿同时接触的应力集中系数最小且分布较均匀;而当部分接触齿产生间隙时,接触状态发生显著变化,应力集中系数明显增大;尤其是当左右齿非对称接触时,最大应力集中系数明显增大且应力分布不均匀。本文研究可为叶根、轮槽的优化设计、加工以及叶片的装配、维护提供实验依据。     

对共振频率法检测裂纹扩展量的研究

通过分析电磁共振式疲劳试验机的工作频率与试样柔度之间的关系,推导出相应的计算公式,并设计出利用微型计算机内部时钟信号检测频率的有关电路,测量精度优于0.05Hz.给出的两点标定法,使共振频率法简便易行.用共振频率法和显微镜目测法同时对三种钢材采用紧凑拉伸试样(CT 试样)进行了裂纹扩展速率 da/dN 的测试。两种裂纹检测方法的测试结果吻合很好,从而验证了共振频率法的可靠性和实用性。此种方法在试验数据的采集、处理自动化方面有优势,并且为在特殊环境下(如高温、腐蚀介质等)对裂纹的检测提供了较为简便、有效的手段。     

电学开路挠曲电悬臂梁自振频率分析

挠曲电效应是一种新兴的机电耦合效应,在微纳米尺度的传感器、致动器和俘能器方面有广阔的应用前景．本文基于挠曲电材料的变分原理和电吉布斯自由能,推导了表面覆盖电极的挠曲电悬臂梁在电学开路条件下的机电耦合动力学控制方程和相应的力电边界条件．进一步获得了求解电学开路条件下挠曲电悬臂梁自振频率的超越方程．以聚偏氟乙烯(PVDF)材料为算例,讨论了挠曲电系数、末端质量块和梁尺寸对结构自振频率和电学开路/短路条件下结构自振频率有效频移的影响．计算结果表明,挠曲电系数的增大会提高梁的自振频率;末端质量的增大可以降低梁的自振频率,并且末端质量块的转动效应对悬臂梁自振频率的影响很小;悬臂梁结构的有效频移随着结构尺寸减小而增加,并在某一厚度尺寸趋于饱和值．     

复杂结构二十节点等参元建模法

提出用单一的二十节点等参元模拟平面、梁、板壳和板-梁结构的建模方法.通过调整板-梁接触面耦合节点的数目,分析接触面耦合节点的数目对接触面应力分布和内力的影响.结果表明,二十节点等参元完全具有模拟平面问题、梁和板壳的能力,能提供更多的相关信息;通过调整接触面耦合节点的数目和组成方式,二十节点等参元独立建模法可以模拟板-梁结构中的刚性联接,铰链联接和介于二者之间的弹簧联接的优越性能.这种建模方法不仅大为简化了复杂结构的建模过程,而且使有限元模型建立在更直观和真实的物理基础之上,避免引入传统建模方式所必须引入的联接单元,有利于有限单元法的推广和应用.     

计算叶片力学特性的三维8节点非协调有限单元法

针对叶片结构几何形状复杂的特点，建立了能进行叶片力学特性分析的三维8节点非协调有限单元模型。该模型采用了几何非线性和线弹性模式，来考虑叶片径向刚度远大于弯曲刚度而引起的在不同转速下初应力对叶片的作用，能够正确反映叶片的弯曲和扭转耦合振动模态、叶片组的切向和轴向振动模态以及它的应力状态。根据质量等效和力等效的原理，导出了在非协调单元中计算单元变形能时，记入附加的内部自由度，而计算单元的动能、体积力、表面力、以及阻尼力所做的虚功时，不记入附加的内部自由度，这是不同于目前一些文献中的提法。最后，通过实例计算验证了该模型的正确性。