航空發動機風扇轉子模態分析實例

2017-08-26 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1摘要:

采用三維軟件對航空發動機風扇轉子系統進行實體建模,模型導入 ANSYS Workbench 中進行有預應力的模態分析。提取了前6階固有頻率及模態振型進行了分析和處理,發現了模態振型的順序和規律;研究了與之相對應轉子系統的坎貝爾圖,結合發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:

隨著航空發動機涵道比和推重比的不斷加強,風扇轉子的質量在整個發動機中所占比例也越來越大。任何的質量不均勻和葉片失效事件都會造成風扇轉子不平衡轉動,轉子系統一旦產生重大的結構載荷和振動,將嚴重影響航空發動機的安全性和可靠性。在工作轉速范圍內,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生的共振給轉子帶來的嚴重損壞。轉子系統的各階固有頻率和振型是承受動態載荷結構設計中的重要參數。模態分析可以預估這些參數,得到的計算仿真數據可以為風扇轉子系統振動安全裕度的計算提供理論依據。

本文基于工業上廣泛使用的制圖軟件 SolidWorks對航空發動機風扇轉子系統(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)的模態分析,得到其固有頻率和振型,其結果可為轉子的動態設計提供參考,對改善轉子的動態特性具有重要意義。

3案例描述:

現有一款航空發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分析,求解每一種工況下的前6階模態振型和固有頻率,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,為達到較高的網格質量故采用切分處理(不同顏色代表不同零件)。

圖1 模型

圖2 模型正視圖

網格模型如下圖。中間規則的軸為六面體網格,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,請勿糾結網格和材料問題。

圖3 網格

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

設置模態提取階數6,打開陀螺效應,打開坎貝爾圖開關,設計點數輸入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分析結果。每個工況求了前6階模態,即一共求得了60個模態結果。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振型。