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航空发动机转子叶片的强度分析

发布于:2016-02-26 20:42
强度分析

      航空发动机静子叶片(括压气机整流叶片和涡轮导向叶片)一般采用多联装的结构方案,将多个叶片通过内、外环连接在一起,并固定在机匣上。这种结构既方便叶片拆装,又可以提高刚性、减小叶片的变形。但在进行强度分析时,需要将其作为1个整体来考虑,这给分析带来了一定的难度。本研究根据多联装静子叶片的结构特点,利用影像超单元分析技术,既考虑了联装叶片整体结构的影响,使计算结果更加真实,又避免了一般整体计算所面临的重复建模、加载与计算规模过大等方面的困难。
      对静子叶片进行强度分析常用的方法是建立1个叶片有限元分析模型,在两侧的切割边界上采用自由或周期性边界条件,并在叶身的盆背侧施加压力载荷。但这2种边界条件都与多联装叶片的实际情况有较大的区别:采用自由边界条件时,无法考虑相邻叶片刚度的影响,计算的变形与应力值偏高,在大多数情况下计算的静子叶片均无法满足强度的要求,周期性边界条件是使叶片上、下缘板两侧面相对应的节点在各方向上的位移一致,实际上模拟的是整环结构的叶片。而多联装静子叶片(如图所示)大多数为3-5个叶片1组,其叶片上、下缘板自由,同1联中不同叶片的变形与应力是有差别的。
      因此,多联装叶片的实际变形与应力情况应该介于自由与周期性边界的中间,但这2种边界条件的计算结果相差很大,而实际叶片的变形与应力情况与同1联中叶片的数量、形状以及上、下缘板情况等许多因素相关,依据这2种边界条件的计算结果进行分析很难判断多联装叶片是否满足强度的要求。为使计算结果更加接近实际清况,可以对1联中所有叶片全部建立有限元模型,进行计算分析。但由于叶片的形状较复杂,特别是空心气冷涡轮导向叶片的,即使对单个叶片划分网格,其节点数量就已经很多,若考虑全部叶片则计算规模更加庞大,对计算所用的软、硬件条件要求较高。另外,叶片所受的载荷(包括气动力与温度等)也很复杂,需考虑不同位置叶片间的坐标变换与重复施加问题等,大大增加了前期数据处理准备的工作量,使计算周期延长。
      鉴于所述的情况,提出利用MSC/NASTRAN的影像(Image)超单元分析功能,将1联中的每个叶片都定义为1个超单元,但只划分1个叶片的网格作为主超单元,其余叶片作为影像超单元,只定义外部节点,不需要划分网格,与主超单元使用相同的刚度矩阵,避免了由网格重复划分与载荷多次施加造成的对工作量的增加与系统资源的浪费。超单元分析方法主要用于解决在对大型复杂结构进行强度分析时,由计算模型过于庞大导致的现有计算机软、硬件资源无法满足需求的问题。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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