宽弦风扇叶片振动分析强度与振动
风扇叶片材料强度设计和耗散噪音特征模拟分析
风扇叶片材料强度设计和耗散噪音特征模拟分析引言：风扇作为常见的家用电器，广泛应用于空调、冰箱、计算机等电器设备中，起到散热和通风的作用。
而风扇的叶片材料强度设计和耗散噪音特征模拟分析对于风扇的性能和使用效果至关重要。
本文将深入探讨风扇叶片材料强度设计和耗散噪音特征模拟分析的相关技术和方法。
一、风扇叶片材料强度设计1. 选材：风扇叶片材料要具备良好的强度和耐磨性，常见的材料有塑料、铝合金和钢材等。
根据需求和成本考虑，可以选择适合的材料。
2. 强度设计：风扇叶片在工作时会承受到较大的离心力和振动力，因此叶片的强度设计至关重要。
设计师需要结合叶片的外形、使用环境和工作条件等因素，通过计算和模拟，确定叶片的几何参数和截面形状。
同时，强度设计还需考虑疲劳寿命和可靠性等因素，以确保叶片的使用寿命和稳定性。
3. 有限元分析：有限元分析是一种常用的工程计算方法，可用于模拟和分析风扇叶片的受力情况。
通过将叶片模型离散化为有限个小单元，建立数学模型并进行数值计算，可以获得叶片在不同工况下的应力分布和变形情况。
有限元分析将为叶片的强度设计提供科学的依据。
二、耗散噪音特征模拟分析1. 噪音源分析：风扇工作时会产生噪音，其中叶片噪音是主要的噪音源之一。
耗散噪音的特征与叶片材料、叶片形状、旋转速度和工作环境等因素有关。
通过分析和模拟叶片的噪音源特性，可以针对性地采取措施降低噪音产生。
2. 气动噪音模拟：风扇叶片在运转过程中会产生气动噪音，主要来源于叶片与空气的相互作用。
借助计算流体力学（CFD）方法，可以对风扇叶片的气动噪音进行模拟分析。
通过建立流场模型和声场模型，可以模拟叶片的气动噪音传输过程，并计算其声压级和频谱分布。
3. 结构噪音模拟：风扇叶片的结构振动也是噪音的重要来源之一。
利用有限元分析方法，可以对叶片的结构振动进行模拟分析。
通过建立叶片的有限元模型，并加入边界条件和加载条件等因素，可以模拟叶片的结构振动情况，并计算其产生的噪音。
关于风机叶片振动的检测与分析
0引言如今，风力发电是非常常见的。
而且这种能源是比较安全可靠的。
当中风力发电机是必不可少的。
而风机叶片就是其中的一个部件。
如果风机叶片出现故障的话，是会影响到风力发电的。
1风机叶片振动在利用风力发电机进行发电的过程中，风机叶片会出现什么样子的故障呢？又应该怎么对风机叶片的振动进行检测呢？以下主要是针对风机叶片振动的检测方面进行分析和介绍。
1.1检测其实，风机出现故障的原因有很多。
其中，这个风机振动就是最大的原因之一。
通常情况之下，风机设备出现故障问题，其相关的信息主要是通过风力发电机中的振动信号来传递出去的。
因此，在风力发电及运行的过程当中是通过利用相关的设备来检测振动的信号的。
而且还要对这个信号中携带的数据进行一个合理恰当的分析，从而才能真正了解到风力发电机设备的健康情况。
对于风力发电机来说，出现故障是非常常见的。
风力发电机的实时运营情况，是发现风电设备的故障和维修的重要依据。
而对于风机叶片来说，它的加速度是可以利用相关的传感器来测试的，它的参数是可以反映出风机设备当中的叶片的振动程度的。
其速度大小可以通过数学的方式来计算出来。
同时，风机的叶片振动幅度的快慢，也可以通过速度表现的方式来进行表达，从而可以对风机叶片的振动幅度进行分析。
1.2检测方案首先，我们应该设置风机的三个叶片。
分别把风机的三个叶片标注为1、2、3。
在这三个叶片上面，我们要均匀的配置五个加速度传感器。
而且要对这个传感器进行编号，分别标为ABCDE。
通过这种方式，我们就可以检验出叶片上不同位置上的三维方向的加速度的数值。
然后，再通过计算的方式，我们就可以得到每个叶片当中的空间振动模态。
同时，也可以利用三个叶片不同的位置来进行分析风机叶片系统的平衡状态。
在进行这一个步骤的时候，是一定少不了这个风机故障预测系统的。
2工作原理分析在此处要做的一个介绍就是在风力发电过程当中的风机叶片振动的一个原理进行一个详细的介绍。
因为在风力发电的过程当中震动的方式，它不仅仅可以反映设备的运行的情况，除此之外它还能够反映设备发生一些故障的可能性，因为在风力发电的过程当中每一片风机叶片都有它固定的工作频率。
叶片的强度与振动
l
(d)
将上两式相减得
2 i
2 j
AYY dx
l 0 i j
d d 2Yi Y j EJ 2 dx dx
d 2Y j dY j d 2Y j d 2Yi dYi d EJ 2 EJ 2 EJ 2 Yi dx dx dx dx dx dx 0 0
图3-24
Tmax U max
(a)
计算最大势能和最大动能必须要知道系统的振型曲线Y(x)，但对多自由度系统智能 给出近似的振型曲线。雷利提出可用系统的静挠度曲线来近似系统一阶主振型。 工程实践证明，这是一个很好的近似。用能量法求多自由度系统固有频率的方法 也称之为雷利法(Rayleigh’s method)。对于2阶以上的振型，我们很难给出与之相 近的曲线。所以雷利法一般只用于计算系统的基频。用该法仅计算一次便可得到 工程上满意的结果，故无需多次迭代。
(c) (d)
其最大速度为
y1 Yik t max
Ti max U i max 1 miYi 2k2 2 1 mi gYi 2
各质量的最大动能及最大势能为 (e)
i 1, 2,
(f)
据能量守恒有
1 2 1 k miYi 2 g miYi 2 2
M k
2
AY x
n n
k
(3-37)
式中k为计算截面，于是有
式中 W
J min h
Mk W
为叶片截面抗弯模量。如前所述，叶片截面的危险点在后缘点，
由此得变截面叶片的固有频率
k2
g miYi
宽弦空心风扇转子叶片叶身结构设计参数分析
3.2 计算结果及分析 模型空心叶片的加强筋由 3
层板的 SPF/DB 形式中的中间板 生成，一部分通过扩散连接与蒙 皮焊接在一起，非连接区域则通 过超塑成形在 2 层蒙皮之间形 成。所形成的非连接区域的个数 在本文中称为加强筋的片数。
空心叶片模型有 4～18 片加 强筋。考虑到在制造过程中，蒙皮 与加强筋的厚度比例过小，蒙皮 表面会出现凹槽变形现象，于是， 在初始状态，将叶片加强筋与叶 片蒙皮厚度比设为 1：1；在计算 时，将叶片加强筋与叶片蒙皮厚 度比提高为 1：2 至 1：3；而在扩 散连接区域和超塑成型区域，长度
本文选用 SPF/DB 结构形式 作为进一步研究的对象，并且选 择 3 层板式结构。
图 3 S P F/DB 空心叶片生产过程
图 4 用 3 板法加工的样件
3 空心叶片结构设计参数 强度
3.1 计算模型及载荷 对于空心叶片，在设计上，除
了叶片气动外形和叶片结构强度 须满足设计条件外，叶片内部空 腔的大小、形式以及空腔内部加 强 芯 板 的 结 构 形 式 也 须 如 此 ，因 为都对叶片结构强度、振动以及 叶片 / 轮盘榫联结构有较大影响。
于 洋，张 力，战 鹏，郝燕平 （沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）
摘要：对空心叶片模型型腔和加强筋结构设计参数进行了分析；考虑到制造工 艺可行性，采用 ANSYS 有限元软件对空心叶片模型进行了建模及应力分析。分析结果 表明，加强筋数量增加，或加强筋与蒙皮厚度比增大，或加强筋扩散连接区域与非连 接区域长度比增大，对蒙皮最大应力值影响不大，但对加强筋最大应力值影响较大。
（3）加 强 筋 扩 散 连 接 区 域 与 非连接区域长度比对加强筋及蒙 皮的等效应力最大值的影响。选 取空心叶片加强筋数量为 18 个,
浅析宽弦空心通风叶片强度可靠性确定方法
浅析宽弦空心通风叶片强度可靠性确定方法在工作中结合全寿命周期所有阶段的特性，从设计、制造、调试、使用等方面，研究了一系列保证空心通风叶片结构强度的方法。
标签：空心叶片；强度可靠性；制造工艺前言采用空心通风叶片是降低发动机重量的方法之一。
在现代的军用和民用发动机上都成功采用了空心叶片。
国外发动机制造企业（GE公司、罗-罗公司）的大量研究证明了在發动机上采用空心通风叶片具有良好的发展前景。
保证空心叶片强度可靠性是其制造过程中的一个重要课题，有很多影响空心叶片强度可靠性的因素，这就需要从叶片全寿命周期各个阶段着手制定综合措施来解决。
而叶片制造工艺对空心叶片结构强度具有很大影响。
在材料上进行的复杂物理过程，可以导致对成型叶片结构强度具有实质影响的工艺继承性的出现。
为了研究每个制造工艺规程参数（应力松弛时间、动力因素变化定律）需要计算机来模拟整个制造过程。
最终工作结果是建立了设计系统（包括样件及叶片试验方法，以及强度备份系统）、制造和检验系统等，以此来保证空心叶片在使用条件下的全寿命内的可靠性。
1 保证空心通风叶片强度可靠性方法1.1 设计阶段在设计阶段必须保证得到叶片间通道所需几何尺寸的叶片型面，在发动机工作过程中最大限度保证叶片强度可靠性。
为了计算内腔结构特性和空心叶片制造工艺，在设计阶段必须采用循环迭代过程。
叶片型面内部分布（带规定几何形状）以保证所需强度；叶片型面截面相互分布和刚性，来保证在离心力作用于叶片上和在发动机工作过程中压差影响下的叶片间通道所需几何形状；结合实质的工艺继承性，空心叶片制造工艺特性及可行性；飞行中周围介质压力降低条件下，选择叶片内腔中影响型面几何形状的压力值，以及影响空心叶片外壳区域自有振幅频率的压力值是设计阶段很重要的一个问题。
从保证强度可靠性的观点出发，在设计阶段按照以下定义进行叶片计算是非常重要的：静态强度；动力性能（自有形状、相对应力频率和分布）；抗击打能力；颤振稳定性。
风力机叶片的设计及振动特性分析
风力机叶片的设计及振动特性分析作者：刘姝来源：《品牌与标准化》2016年第02期【摘要】本篇论文针对的机型是1.0MW水平轴风力发电机，对叶片进行优化设计及振动特性分析，以气动设计理论作为基础，从风机的基本参数、叶尖速比、风轮直径以及翼型插值等方面确定叶片的基本参数。
本文根据叶素动量理论的相关知识，根据Wilson叶片设计方法确定风机叶片的几何外形，以MATLAB软件为计算工具，采用迭代算法计算叶片外形的各种参数，并修处理弦长、扭角等，得到优化结果。
通过对NACA4412翼型单元坐标进行旋转和成比例放大转换，获得具有良好空气动力学性能的风力机叶片的外形数据。
【关键词】风力机叶片振动特性叶素-动量理论迭代算法有限元分析【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.02.010风能是气流变动而生成的动能，没有任何污染的可再生能源。
根据多年记录，在小于0.25s的时间里，风速一定能够27m/s然变到37m/s。
阵风为风力机创造了改变的气动原因。
风力不仅强弱改变，风电轮轴可对风有调向运动，进一步导致陀螺力矩，它应用在叶片上是一种改变的惯性载荷。
还有，相对大型风力机，叶片本身的重量也是无法忽略的负载，这个负载对转动的叶片也是说变化就变化的。
在相互方方面面条件的共同影响，风力机在运行的进程中，可能会表现出颤振，致使叶片损坏。
对风轮叶片通过有限元考虑，分析工程机械的固有频率和振型，进一步预算和理解其在外载荷情况下的结构动力学特性，是非常必要的[1，2]。
5 总结本文在变换了翼型截面空间坐标的同时，绘制了叶片各个截面的空间曲线。
利用相关软件对风机叶片进行了三维实体建模，通过模态分析，得到了叶片在零转速下的前十阶固有频率及振型。
根据得到的振型，可以清楚的看出优化后叶片具有更强的抗扭振能力。
通过模态分析可知，风力机叶片的主要振动型式为挥舞和摆振，第七阶挥舞加上扭振，直至第十阶振型，才能凸显出扭转振动的影响。
叶片的强度与振动
Fu
式中Fu
G c2u c1u za
(3-5)
——切向气流力（N）
G
za
——通过叶栅的气体质量流量（Kg/s）
——动叶片数
y
c1u ——静叶出口气流切向速度（m/s） c2u ——动叶出口气流切向速度（m/s）
图3-9
u
——平均半径处圆周速度（m/s）
由级的轮周功率确定切向力Fu的公式为
Fj 2 V j Rmj
式中 V j为j段叶片的体积， Rmj为重心半径
Fzj 2 V j Rmj cos 2 V j zmj Fyj 2 V j Rmj sin 2 V j ymj
通常认为 F j 在yoz平面中，即把叶片各截面形心连线看成位于yoz平面内的平 面曲线，故
p1 , p2 ——动叶前后气体压力（Pa）
t
l
——动叶平均半径处的节距（m）
——动叶高度（m）
作用在叶片上的气流力F是切向和轴向气流力的合力
F Fu2 Fa2
(3-7)
对于 Dm / l 10 的短叶片，可将其作 为受均布载荷q，一墙固定，一端自由 的悬臂梁来研究
q F /l
所以距叶底截面为z处的截面上
叶片型线部分沿叶高的变化规律A=f(z)是已知的，但往往难于用解析式表达。一般 采取数值积分近似算出各截面的拉伸应力。如图3-8，将叶片分为n段，从上之下 截面为0，1，2~n 第i段的平均面积，平均半径，高度 分别以 Ami , Z mi , Zi 记之，则i截 面上的离心拉应力为 (3-4)
i 2
Fu
1000 Nu uza
N u ——级的轮周功率（KW）
按气流轴向动量的改变及动叶前后的压差，可计算出每个动叶所受的轴向力
强度与振动 课件 Chapter 3
School of Jet Propulsion, BUAA
21
铁木辛柯
铁木辛柯 Stephen Prokofievitch Timoshenko, Степан Проко-фьевич Тимошенко(1878～1972),乌克兰人 生平：1901年毕业于俄国彼得堡交通道路学院 1903～1906年德国格丁根大学 1907～1911年任基辅工学院教授。 1922年受聘于美国费城振动专业公司，次年到匹兹堡的威斯 汀豪斯(Westinghouse)电气公司， 1928年，他建立了“美国机械工程师学会力学部”。同年秋 天到密歇根大学任教授， 1936年起，铁木辛柯到斯坦福大学任教授达二十年之久。 1965年迁居联邦德国,直至逝世。 著作：《材料力学》 《弹性力学》 《板壳理论》 《结构力 学》 学生：王俊奎（1908-)，北航教授, 1938～1940年美国斯坦 福大学，航空工程博士学位。
y0 0 0, y0 0 0
''
对于悬臂梁 y0 0 0, y0 ' (0) 0
（固定端）
http://202.113.13.85/cllx/Index2/fyrw/sp.htm
Chapter 3
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22
无扭向等截面悬臂叶片基本方程
y( x, t ) y0 ( x)cos t
y
y0(x)是弹性线
y0(x) y(x,t) o x q
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12
整体叶盘和整体叶环
Chapter 3
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宽弦风扇叶片振动分析强度与振动
Civil A viation University of China航空发动机强度与振动课程设计报告姓名：学号：班级：专业：指导教师：201年月课程设计报告基于ANSYS WORKBENCH的宽弦风扇叶片振动分析摘要：针对叶片的振动失效关系到整台发动机的工作可靠性的问题，基于振动分析理论，在风扇叶片模态试验的基础上，结合有限元方法建立了叶片振动分析模型;考虑气体与叶片的藕合作用，进行了叶片静频、动频和振动响应分析，从而得到叶片在不同转速下的动态响应。
通过比较空实心宽弦叶片和夹层叶片自振频率得出结论，研究结果对叶片振动疲劳设计和维护、维修均有一定的指导意义。
关键字：有限元分析、宽弦叶片、模态分析、航空发动机、动频引言由于宽弦空心结构的风扇叶片具有先进的气动性能、抗振能力和减重效益，以及先进的SPF/DB组合工艺技术[1]，使制造成本大为降低，所以，宽弦空心风扇叶片也被新一代高推重比军用涡扇发动机所采用。
航空发动机风扇叶片的展弦比大、应力水平高、工作条件恶劣，以及高速旋转产生的离心力和气流冲击引起的气动力易使叶片发生振动。
发动机由振动引起的故障占总故障的60%以上，其中叶片振动故障占总振动故障的70%以上[2]。
叶片振动尤其是共振将产生较大的振动应力，易导致叶片疲劳失效。
因此，振动特性分析是研究发动机叶片减振、抗疲劳问题的关键因素。
本文考虑了离心载荷和稳态气动载荷共同作用的影响[3]，通过数值模拟方法研究了某航空发动机宽弦风扇叶片的振动特性。
并且通过比较实心宽弦风扇叶片、空心宽弦风扇叶片、窄弦叶片得出优缺点。
通过叶片动频计算结果来确定载荷对叶片振动频率和模态振型的影响，通过绘制叶片坎贝尔图来确定临界转速，通过分析叶片各临界的振动特性来研究叶片振动应力分布及应力峰值的影响因素，为进一步研究叶片振动疲劳问题奠定了基础，对叶片振动故障分析具有一定的参考价值。
叶片的强度与振动分析一、叶片的静力分析1.1给出有限元模型叶片模型如下图所示，相关参数如下：图1 宽弦实心叶片图2 窄弦实心图3 宽弦空心叶片横截面 图4 宽弦空心叶片纵截面某型发动机风扇叶片是三维设计的钛合金金宽弦风扇叶片，几何造型比较复杂，通过燕尾榫槽连接，材料TC4钛合金宽弦风扇叶片弯扭成形，叶身高度为600 mm ，初始扭转角度为61.30[4]度，叶片数目为22[5]片（PW4084）。
复合材料宽弦风扇叶片模态仿真分析
复合材料宽弦风扇叶片模态仿真分析朱启晨;陈勇【摘要】针对复合材料宽弦风扇叶片,以铺层结构设计信息为基准建立了1种有限元建模方法,对某型复合材料风扇叶片模型进行了固有频率与模态振型的数值仿真计算,并采用激光测振仪对该风扇叶片的固有频率进行了试验测量.将试验测量与数值仿真结果进行对比分析,前3阶固有频率的误差在5％以内,第4阶固有频率的误差为6.6％.结果表明:该有限元建模方法建立的复合材料风扇叶片模型与实际叶片较吻合,基本满足工程分析要求,可以为复合材料风扇叶片的优化设计提供参考.【期刊名称】《航空发动机》【年(卷),期】2019(045)001【总页数】5页(P28-32)【关键词】复合材料;风扇叶片;有限元;模态分析;航空发动机【作者】朱启晨;陈勇【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院上海200240;上海交通大学机械与动力工程学院上海200240;上海交通大学燃气轮机研究院上海200240【正文语种】中文【中图分类】V232.40 引言随着航空工业的不断发展，对航空发动机推重比和燃油效率的要求越来越高，涵道比随之不断提高，风扇叶片的尺寸也越来越大，复合材料宽弦风扇叶片以其独有的质量轻、强度高等特点成为风扇叶片的主要发展方向[1-5]。
复合材料风扇叶片的可设计性强，叶片内部预浸料不同的铺层顺序、铺放角度等都会对叶片的强度造成很大影响，选取合适的铺层方案成为设计复合材料风扇叶片的关键[6-7]。
对于复合材料风扇叶片而言，铺层方案有多种可能性，仅铺放角度理论上就有无限种可能，即便将其简化为0°、±45°、90°4个方向，对于1个400层的叶片也有4400种选择。
由于受成本和时间的限制，不可能对其一一进行试验测试，只能通过数值仿真的方法优化设计。
复合材料风扇叶片一般由数百层碳纤维预浸料层叠固化制成，且预浸料属于正交各向异性材料，具有方向性，因此其有限元建模过程较为复杂。
宽弦空心风扇转子叶片叶身结构设计参数分析-航空发动机
孑洋舞：宽弦空心风扇转子叶｝皂叶身结栩设计叠数分析
己４／己５
小。叶片的进气边和排气边为实心 结构。通过进行详细的有限元分析 评估，包括对所有可能的备选结构 进行参数分析，设计了不同结构的 空心风扇叶片，如图２所示。而宽 弦空心风扇转子叶片内部加强筋 的位置、数量、夹角，以及叶片面板 与芯板的厚度比例，是ＳＰＦ／ＤＢ宽 弦叶片设计与制造能否成功的关■Ｊ
风扇直径／瑚ｍ
图１ 国外宽弦空心、实心风扇转子
叶片的质量与风扇直径的关系
—ｆ＝工＝１＝］＝》—口＝：二＝＝工＝＝’ ·—量暑三兰Ｅ三王三》—崔￡＝目＝＝Ｅ亡）誊＇ —日＝Ｚ＝＝＝工＝》—ｌ（ｊ王＝］互＝睁
图２ 俄罗斯空心风扇叶片剖面
２．２工艺特点 ＳＰＦ／ＤＢ工艺方法分为２板
值会突然下降。所以，在设计空心：ｈｌａｄｅ唧ｃＦＢ）一ａ ｓ衄；ｎｅｄ ｍｅｔａｌｌｉｃ
叶片时，在考虑质量因素的同时，
８帅。ｍｍ·ｎｅ ｓｅｍｉｎ盯∞Ｄｅ８ｉｇｎｉｎｇ
应该尽量增加加强筋数量。
孟ｄ。ｎ，ＵＫＪｕｎｅ ２９。１９９９：４５—５７．
（２）加强筋与蒙皮厚度比增大！【５１白秉哲，张卓民，郑卫东，等．美国超塑
３空心叶片结构设计参数 强度
３．１计算模型及载荷 对于空心叶片，在设计上，除
了叶片气动外形和叶片结构强度 须满足设计条件外，叶片内部空 腔的大小、形式以及空腔内部加 强芯板的结构形式也须如此，因 为都对叶片结构强度、振动以及 叶片／轮盘榫联结构有较大影响。
选取３层板ＳＰＦ／ＤＢ的形式 作为空心叶片基本结构形式，确 定了空心叶片结构优化设计时需 要的基本结构特征参数：空心叶 片蒙皮厚度；空心叶片内部加强 筋厚度；空心叶片内部加强芯板 数量；空心叶片内部加强芯板扩 散连接长度。依据这几个基本结 构特征参数就可以确定空心叶片 内部结构形式。
浅析宽弦空心通风叶片强度可靠性确定方法
保证空心叶片强度可靠性是其制造过程中的一个重要课题 ， 有很 定叶片上有效应力静态论据和叶片材料强度 ｌ 生 能， 从而确定 ： 循环 强度裕 度 ； 叶片 型面动力强 度裕度 ； 静态强 度裕度 。 多影响空心叶片强度可靠性的因素，这就需要从叶片全寿命周期各个 阶段着 手制定 综合措 施来 解决 。而叶片制 造工艺 对空心 叶片结 构强度 １ ４ 使 用阶段 具 有很 大影响 。 在 材料上进 行 的复杂物 理过程 ， 可 以导致 对成 型叶 片结 在使用阶段应最终编制叶片无损检验和诊断方法及手段 ， 以便及 构强度具有实质影响的工艺继承胜的出现。为了研究每个制造工艺规 时确定 ： 程参数（ 应力松弛时间、 动力因素变化定律 ） 需要计算机来模拟整个制 叶片内损伤 ； 腔体密封 陛损坏 ； 出现裂纹。 造 过程 。 ２空心 叶片制造 模拟工 艺 空心叶片制造模拟工艺是为了： 最终工作结果是建立了设计系统（ 包括样件及叶片试验方法 ， 以及 强度备份系统） 、 制造和检验系统等 ， 以此来保证空心叶片在使用条件 选择设备动力参数（ 功率、 扭矩 、 压力） 以保证叶片制造时的工艺规 下的全寿命内的可靠性。 程； 分析已设计好的叶片结构上的制造可行性 ； 确定工艺过程中影响工 艺继承性的因素（ 首先是残余应力 ） ； 编制在工艺过程 中动力因素变化 １保 证空 心通风 叶片 强度可 靠性方法 １ ． １设 计 阶段 定律，以便形成优化条件，使之与叶片成型相关的物理过程顺利形成 在设计 阶段必须保证得到叶片问通道所需几何尺寸的叶片型面， （ 蠕变、 应力松弛及其他） 。 空心 叶片制 造工艺 阶段 主要 有 ： 在发动机工作过程中最大限度保证叶片强度可靠性。为了计算内腔结 构特 『 生 和空心叶片制造工艺 ， 在设计阶段必须采用循环迭代过程。 扩散焊接 ３ 个具 有可变 厚度 的钛合金板 材 。板材 间是表 面部分焊 叶片 型面 内部分 布 （ 带 规定 几何形 状 ） 以保 证所 需 强度 ； 叶片 型 面 接以便可以继续形成腔体 ； 预先形成月牙形闭合部分。 在该阶段的闭合 截面相互分布和刚性 ， 来保证在离心力作用于叶片上和在发动机工作 部分材料通过了高塑变形试验 ；在超塑性成型过程中叶片形成了最终 隋性气 过程中压差影响下的叶片间通道所需几何形状；结合实质的工艺继承 形态。此时安放在专用压床上的叶片内部 ，以高压输送一定的． 性 ，空心叶片制造工艺特洼及可行陛；飞行中周围介质压力降低条件 体 ， 借助于金属板材间防护扩散焊的区域从而形成了内腔。 下， 选 择叶 片 内腔 中影 响型面几 何形状 的压力 值 ， 以及 影响 空心 叶片外 在模拟空心叶片制造工艺时必须解决以下问题 ： 壳 区域 自有振 幅频率 的压力值 是设 计阶段很 重要 的一个 问题 。 选择 可 以解决 在 超 塑性 条件 下 变形 硬化 和在 相 互接 触 作用 下蠕 从保证强度可靠性的观点出发 ， 在设计阶段按照以下定义进行叶 变等因素的软件 ； 选择在主动负载和蠕变过程中材料动作模型， 这样可 以更 加精 确展现 出叶片 制造过程 中材料 动作 ； 对 所选择 的材料模 型进 片计算 是 非常重要 的： 静态强度 ； 动办Ｊ 生 能（ 自有形状 、 相对应力频率和分布 ） ； 抗击打能 行测试；在叶片设计时要研究制造工艺特性对于残余应力集中区域和 力； 颤 振稳定 性 。 集 中水平 的影 响。 由于粘塑性介质的特点是因负载速度来促使塑性变形 的， 通过以 １ ． ２试制 阶段 为保证叶片强度可靠性， 在制造阶段从毛坯件和成品试制叶片中 下定 律进行 ： 切取的样件进行结构强度分析工作。 ｃ ｒ ＝ Ａ （ ｅ ｏ ＋ ｅ ） ｍ ＋ Ｂ ｅ 毛坯件制成的标准样件上得到的力学性能研究结果和结构元件 式中 ： ｏ － 一 应力 ； ￡ 一 变形 ； ￡ － ＿ 变形速度； ￡ 旷 － 残余变形 ； Ａ ， Ｂ ， ｉ ｎ ， ｎ 一 材料 试验 结果 的对 比 ， 可以确 定对力 学性 能变化 的影响 ： 性 能系数 空心 叶 片 的几何 形 状 ； 叶 片制造 的工艺 或 单个 工艺 程 序 ； 试验 方 空心 叶片制造 工艺特 陛的研究 可 以在 “ 简化 ” 几何 形状 的三维 叶片 式、从毛坯件和成品叶片上切取的样件形状都由使用中叶片上现有的 模 型上和通 风叶 片平截 面的两维模 型上 进行 。在 完成计算 基础 上确定 负载 方式 （ 静态、 动力 、 拉伸、 弯 曲等 ） ， 以及在 叶片工 作过 程 中的 叶片结 工 步 、 在三维 和两维模 型上 合理 地模 拟 出这 些工 步。 构元 件应力 状态特 陛（ 断裂、 错位 、 弯 曲） 来确 定 。 在三维模型上按 以下进行工作是比较合理的： １ ． ３检验 和调试 阶段 从密实截 面 到空 心 （ 在靠 近根部 和周边 区域 ） 的转 接段优 化外部板 样 件 完成 试 验后 对 其进 行 断 口组 织试 验研 究 是结 构 强度 研究 的 材几何尺寸；选择周边截面相对根部的扭转过程参数 （ 扭转和保持时 必要 阶段 ， 其 目的是 ： 间、 扭转 时步 距数 、 扭转 时 所需 力 ） ； 在模拟 力对 工具工 步时 确定 的基础 精准确定损伤初始处（ 裂纹形成处 ） ； 确认在损伤初始区域是否有 上选择设备动力参数（ 压力、 扭矩） 。 金属故 障 和异物夹 杂 ；在标 准样 件上和 结构元件 上进行 疲劳 裂纹扩 散 在空心叶片截面两维模型上进行的计算可以确定： 速度对 比分析 。 毛坯的内外板材厚度 比， 实际上排除超塑性变形工序后在内板材 在 编制 的制造 工艺 中， 叶片制 造质 量和 工艺 稳定 性可 以通 过检 验 的焊 接处外 型面局 部延伸 的影 响 ；保证 内板材形成 的波纹板所需 厚度 方法和手段（ 温度、 时间 、 动力因素等） 来保证 ， 这些直接应用在叶片制 的扩 散焊 区域几何形 状 ， 来 自超塑性 成型后 内部板 材变薄 值 。 造时的工艺规程中。然而在制造初始阶段尤为重要的是可以确定出与 在模拟工艺工步过程中确定以下两点 ： 考虑到毛坯和压床表面之 间的摩擦在超塑性成型时实际上是不 图纸要求有偏差的检验和诊断的方法。 应力、 变形程度 、 变形速度 ） ； 在叶片制造时并带 由于叶片是关键结构件 ， 对于所采用的检验方法精度的要求应符 影响过程的基本性能（ 合使用 中进行的定期性检查，这样可以使在无损检验方法检查中没有 有充足低速变形 ， 金属温度较高值可以保证在每个工艺工步后期残余 显现出来的裂纹不会发展到极限尺寸。 应力水平较低。所以模拟蠕变只是为了型面扭转阶段。 在调试阶段 ， 叶片在装机验证前要对叶片强度可靠性进行专门试 ３结束 语 验， 包括 ： 为保证空心通风叶片的可靠性工作 ，必须在工作中结合全寿命周 在 振动 台上进 行 叶片试 验 以确 定 叶片 的疲 劳极 限 ； 叶片在 发动 机 期所有阶段的特性 ， 从设计、 制造、 调试、 使用等方面， 并通过计算机软 上的动应力测量 ； 将带打伤的叶片在振动台上试验， 并在发动机上继续 件进行制造工艺模拟，从而研究和编制出一系列保证空心通风叶片结 检查以编制使用中的打伤标准 ； 检查是否有颤振 ； 进行叶片断裂时在发 构强 度的方 法 ， 使空 心通风 叶片可 以更加稳 定的在 发动机 上工作 。
关于风机叶片振动的检测与分析
关于风机叶片振动的检测与分析摘要：叶片在风电机组中属于关键的构成部分，发挥着能量转化的作用。
在风机运行过程中，必须保证叶片的安全性与可靠性，才能有效提升吸收风能的转换效率，为整个风力机组带来有利的影响。
通过提高叶片性能，也能保证风机的稳定运行。
但是叶片工作环境较为复杂，面临力、空气动力、热应力和弯曲应力等作用，甚至存在雨雪冰霜冲蚀与闪电积累破坏等现象。
基于此要重视对风机叶片振动检测与分析，确保准确、快速判定其疲劳程度，这是维护风机安全运行、降低成本和提高风能利用率的有效手段。
关键词：风机叶片；振动；检测；引言购买风扇的用户和生产风扇的制造商最关心的问题是风扇振动问题。
风扇振动过大或过小，以致损坏风扇组件。
风扇超速振动过快会导致风扇轴承温度急剧上升，零件磨损程度上升，当风扇振动幅度严重超标时，会对一些重要零件造成不可挽回的损坏，轴承壳破裂，甚至叶轮破裂破碎。
为了应对风机振动超标，减少风机振动达到平衡，首先要平衡整个机器。
这主要是因为周期性出现的风扇振动干扰会导致风扇振动。
1叶片结构叶片为环氧树脂及玻璃纤维制作复合材料产品，具备高比强度、轻质、结构稳定、工艺性好等优点，同时也具备了可设计性、修复性能好等优点。
根据叶片各部件受力状态不同，叶片不同的区域具备不同的结构形式，主要为叶根、主梁、腹板、蒙皮等结构，主梁是叶片的主要承载部件，主要承受叶片的弯曲载荷，一般使用高强、高模的单向纤维织物制成。
壳体蒙皮主要作用是提供叶片的气动外形，多采用双轴或多轴织物。
为了提高叶片的刚度同时实现轻量化的目的，在蒙皮和腹板部分使用了PVC、Balsa等夹芯材料。
2风机叶片振动的常见形式2.1自由振动弹性系统在无外力条件下会形成简谐振动，并不会受到外界激励的持续作用，依赖于已有弹性恢复力与质量惯性力，可以保证振动不停止，在刚开始振动的时候，需要通过外力进行激发。
在系统振动的过程中，外力激发是重要的能量来源，然而在系统阻尼影响下，机械能开始降低为零。
关于风机叶片振动的检测与分析
关于风机叶片振动的检测与分析摘要：鉴于发电机的工作环境通常都比较恶劣，极易出现损坏或者故障的情况，故而对于发电机的运行状态监测和故障判断极为关键。
研究设计风机叶片振动检测方法是极其重要的，它对于降低发电机的故障几率、延长发电机的工作寿命以及减少发电量的损失等具有重要意义。
据此，通过研究风机故障频谱的分析，并加以总结各种特点。
关键词：风机叶片；振动；监测1引言发电的处所大多处于较为偏僻的地区或者海上，且一些零件的更换过程极为繁琐，所以日常的维护和检修进行起来较为困难，而又因为风机叶片因振动所引发的故障极其严重，所以现阶段研究其振动的监测方法极其重要。
2造成风机振动的原因可能会造成振动的原因有许多，就比如在加工生产的时候可能存在的误差、安装误差、载荷、润滑状态等原因。
而叶片的刚度是载荷的非线性函数，故而在处理持续运转的时候，叶片可能会受到的作用力为周期性变化。
啮合刚度产生的改变会被付氏变换，引发多频激励。
假如叶片存在开裂或者点蚀的状况，那么叶片的弯曲刚度就会降低，而存有裂纹的叶片或者存在点蚀的叶片在进行啮合的过程当中的综合啮合刚度就会较以往偏低，造成啮合冲击的振动特征发生变化[1]。
（1）由机械问题引发的振动：可能由于转子在最开始制作的过程中或者安装的时候存在的一些误差，致使转子产生弯曲变形、部件松动等问题致使转子不平衡。
也有可能是在安装原动机和工作机的时候为准确连接，致使其温升不等等问题引发振动。
（2）由于工作介质造成的振动：可能由于进入风机的气流压力、流量的改变产生气流激振力，或者气流当中的粉尘密度不均匀，使得转子的受力不均匀，有可能造成风机振动。
（3）由于润滑系统的问题导致的振动：润滑系统如果出现问题，将会导致轴承在运转过程当中出现发生振动。
3叶片磨损的原因及措施导致风机叶片出现磨损情况的原因呈现出多样性的特点，当锅炉风机运行过程中没有针对工况状态进行设计时，叶片进口圆弧切线与叶轮中进气方向则会无法保持一致，会有进气冲角产生。
宽弦风扇叶片颤振预测的工程研究
宽弦风扇叶片颤振预测的工程研究章嘉麟;丁建国【摘要】为研究宽弦复合弯掠风扇叶片的颤振问题,以及适用于工程设计的颤振预测方法,分别采用经验法和数值模拟方法,对大涵道比风扇性能试验件叶片进行颤振预测,并将预测结果与试验结果进行对比,考察颤振预测方法的准确性和实用性.对比过程中,分析了颤振发生的机理,提出了抑制颤振的手段.结果表明:两种方法都准确地预测了风扇转子叶片发生的颤振,与试验现象吻合,计算量在可接受范围内,具备工程实用价值.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2019(032)001【总页数】6页(P8-13)【关键词】航空发动机;风扇叶片;颤振预测;经验法;数值模拟法;颤振抑制【作者】章嘉麟;丁建国【作者单位】中国航发商用航空发动机有限责任公司,上海201108;中国航发商用航空发动机有限责任公司,上海201108【正文语种】中文【中图分类】V215.31 引言航空发动机压缩部件的颤振多发生于大展弦比、小刚度叶片中，一旦发作，可在极短时间内导致叶片疲劳断裂失效[1]。
随着民用航空发动机持续向高效率、高可靠性、高推重比的方向发展[2]，发动机风扇叶片尺寸不断增大，各种新结构和新材料也在风扇叶片上得以应用，如钛合金空心风扇叶片、复合材料风扇叶片等。
这些技术在减轻叶片质量、提高推重比的同时，也大大降低了叶片刚度，导致风扇叶片颤振问题更加突出。
因此，防止风扇叶片颤振已经成为大涵道比民用航空发动机研制过程中所面临的一个重要问题，发展适用于工程设计的风扇叶片颤振预测方法，对于发动机安全设计、缩短设计周期、节省研制经费[3-4]都具有深远意义。
早期的颤振预测主要采用经验法和半经验法[5]进行。
这类方法以相似理论为指导，将大量的叶片颤振统计数据整理成经验性预测准则或经验型曲线，引入工程试验数据，用以预测新设计叶片的颤振稳定性[6]。
近年来，由于计算机性能的高速发展和非定常流场模拟技术的日渐成熟，基于CFD的方法逐渐成为颤振预报的主流[7-9]。
大型风电叶片模态分析与振动控制策略
大型风电叶片模态分析与振动控制策略大型风电叶片作为风力发电系统的关键组成部分，其结构的稳定性和耐久性直接关系到风电场的发电效率与运行安全。
模态分析作为一种重要的结构动力学研究方法，能够揭示叶片在动态载荷下的振动特性，而振动控制策略则致力于减缓或消除有害振动，确保叶片长期稳定运行。
本文将从六个方面探讨大型风电叶片的模态分析与振动控制策略。
一、大型风电叶片模态分析的重要性大型风电叶片的尺寸日益增大，结构复杂度也随之增加，这给其在复杂风场环境下的动态响应分析带来了挑战。
模态分析通过计算叶片的固有频率和振型，可以预测叶片在特定频率下可能发生的共振现象，为后续的结构优化和振动控制提供理论依据。
此外，模态分析还能帮助识别叶片在设计阶段的潜在缺陷，避免因振动引起的疲劳损伤，延长叶片使用寿命。
二、模态分析方法概述模态分析通常包括实验模态分析（EMA）和数值模态分析（NMA）两大类。
实验模态分析依赖于物理测试，通过施加外力使叶片振动，并记录其响应数据来识别模态参数。
数值模态分析则主要基于有限元分析（FEA），在计算机模型中模拟叶片受力情况，计算其动态特性。
结合使用这两种方法，可以更为准确地评估叶片的动态性能。
三、影响因素分析影响大型风电叶片模态特性的因素众多，主要包括材料属性、几何尺寸、结构布局、边界条件等。
例如，复合材料的使用比例和分布直接影响叶片的刚度和质量分布，进而改变其固有频率。
此外，风剪、风速波动等外部环境因素也会影响叶片的实际振动行为，这些都需要在模态分析中予以考虑。
四、振动控制策略1. 被动控制：通过在叶片结构中设计阻尼器或使用具有高损耗因子的材料来吸收振动能量，如粘弹性阻尼器、金属橡胶阻尼器等。
这些装置无需外部能量输入，但其设计需精确匹配叶片的特定振动模式。
2. 主动控制：利用传感器、控制器和执行器组成的闭环控制系统，实时监测叶片振动状态，并主动施加反向力或力矩来抵消振动。
主动控制策略响应速度快，能有效抑制宽频带振动，但系统复杂，成本较高。
风力发电叶片振动控制的数值模拟分析
风力发电叶片振动控制的数值模拟分析简介：风力发电是一种可再生能源，越来越受到全球关注。
风力发电机组的核心部件之一是叶片，其质量、结构和振动对风力发电机的性能和寿命有着重要影响。
本文通过数值模拟分析风力发电叶片的振动情况，以实现振动的控制和优化。
一、风力发电叶片振动分析的背景风力发电叶片在运行过程中可能会受到多种因素的影响，如气动力、风载荷、失重力、旋转惯性力等。
叶片的振动会导致损耗和噪音的增加，还可能引发疲劳破损甚至结构失效。
因此，对风力发电叶片的振动进行准确的分析和控制具有重要意义。
二、数值模拟分析方法1. 建立叶片的有限元模型数值模拟分析的基础是建立叶片的有限元模型。
通过将复杂的叶片结构离散化为有限数量的有限元单元，可以准确地描述其变形和振动情况。
模型的空间精度和单元数量的选择对结果的准确性和计算效率有重要影响。
2. 材料力学参数的定义在模型中，需要定义叶片的材料力学参数，包括弹性模量、泊松比和密度等。
这些参数对叶片的刚度和振动频率有着重要影响。
准确定义材料力学参数是保证数值模拟结果准确性的前提。
3. 振动条件的设定数值模拟分析中，需要设定叶片的振动条件。
常见的振动条件包括固支、自由振动和受迫振动等。
根据实际情况，我们可以选择合适的振动条件进行模拟分析。
根据不同的振动条件，可以得到叶片在不同工况下的振动情况。
4. 边界条件和加载条件的设定在数值模拟分析中，需要设定叶片的边界条件和加载条件。
边界条件包括叶片的固定支撑点和边界约束条件等，加载条件包括外部力的大小和方向等。
通过合理设定边界条件和加载条件，可以模拟出叶片在实际工作环境中的振动情况。
5. 振动模态分析振动模态分析是数值模拟分析的重要步骤之一。
通过求解叶片的振动模态，可以得到叶片的固有频率和振动模态形态。
这些信息对于优化叶片结构和控制振动有重要意义。
振动模态分析可以通过求解叶片的特征值问题得到。
三、数值模拟分析结果与分析在完成数值模拟分析后，我们可以得到叶片的振动情况。
北航强度震动Chapter 3
5
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School of Energy and Power Engineering
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叶片失效—实例
RB211高压3级叶片掉 块
叶片失效—实例
PW4185-3 高压 5 级转 子叶片叶尖掉块
PW4052发动机压气机叶片失效
12/16/2013 1:35:28 PM School of Energy and Power Engineering 7 12/16/2013 1:35:28 PM School of Energy and Power Engineering 8
力平衡： 力矩平衡： 惯性力： 梁弯曲：
Q Q dx qdx 0 q x x
等截面梁(叶片)： A、I为常数，E、ρ也为常数
4 y A 2 y 0 y ( x, t ) y 0 ( x) cos t x 4 EI t 2
M Q 1 M dx (Q )dx qdx dx 0 Q x x 2 x
航空发动机强度与振动
Structural Stressing and Vibration in Ai Aircraft ft Gas G Turbine T bi Engines E i 第三章 叶片振动 Chapter 3 Blade Vibrations
能源与动力工程学院 School of Energy and Power Engineering
12/16/2013 1:35:28 PM
School of Energy and Power Engineering
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3.1 基本定义和术语
3.1.1 概述 3.1.2 叶片振动特性
风扇振动路径分析及隔振研究
风扇振动路径分析及隔振研究张国元【摘要】通过对抖动明显的落地扇进行结构剖析、振动频谱分析、零部件模态仿真分析,得出其振动传递路径,同时针对该路径进行相应的隔振设计.最后凭借对比分析、手板验证,确认风叶的低频隔振设计可以减小网罩15μm～200μm左右的振动幅值,使整机振动的最大幅值从300μm下降到80μm以下.结果表明:风叶隔振对于落地扇共振抖动具有明显减振效果,可以明显缓解落地扇的低频共振,使整机品质得到大大提升.【期刊名称】《家电科技》【年(卷),期】2018(000)011【总页数】3页(P64-66)【关键词】落地扇;模态仿真;频谱分析;路径分析;振动隔离【作者】张国元【作者单位】广东美的环境电器制造有限公司广东中山 528425【正文语种】中文1 引言随着生活水平的提高，消费者对于风扇的需求已经从简单的吹风向多维度、高标准的用户体验转化[1]。
除了吹风，用户更要求风扇本身具有一定的品质可靠性。
就市场最大的落地扇而言，整机抖动问题已经逐渐成为其被诟病的一大共性问题和产品自身品质优劣的重要指标。
目前，针对落地扇整机抖动的研究较少。
设计开发工程师主要是通过调节各档位转速屏蔽整机固有频率来解决落地扇共振抖动问题。
但随着多档位落地扇、变频风扇的快速发展，在不影响风扇使用性能的前提下，单纯依靠共振点屏蔽已经无法完全消除共振抖动现象。
落地扇共振抖动问题愈发明显、普遍。
本文通过振动路径分析和振动隔离技术的研究应用，发现并解决落地扇共振抖动的根本问题，具有一定的理论意义和实用价值。
2 落地扇振动路径分析2.1 结构分析落地扇振动结构如图1所示，从结构装配和力的传递来说，风叶通过旋转推动空气流动形成风，空气对风叶有一个反作用力，这个反作用力的频率与风叶的叶频相同。
同时由于动不平衡量的存在，风叶在重力作用下产生径向惯性拉力，这个惯性力的频率跟风叶基频相同。
风叶是落地扇的振动源，为系统分别提供以基频为激励频率的动不平衡振动和以叶频为激励频率的轴向激励。
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141.55 156.55 178.06 202.87 228.34 300.92 301.96 305.08 310.31 317.85 328.04 302.32 305.42 310.64 318.15 328.31 366.54 371.86 387.07 410.21 438.63 469.64 372.21 387.42 410.56 438.98 469.99
－ 6 －
算得到。 发动机的工作状态是变化的，飞行速度和高度不同，则进入发动机的空气温 度，压力和流量都会改变，发动机的转速也时常发生改变。这些都将引起风扇 叶片上所受的负荷发生变化。因此风扇叶片上的应力情况将随发动机的不同工 作状态而变化，本文仅选取风扇叶片最可能出现危险情况的一种工作状态:低空 低温高速飞行状态，进行静力分析和强度校核。 根据某型发动机的设计要求，当发动机处在低空低温高速飞行状态时，部分 工作参数如表 3 所示。 表 3 发动机工作参数表 飞行高度 飞 行速 度 发动机转速 N1 风 扇 进 口 空 气 风 扇 进 口 风 扇 出 口 H
4600kg / m3
弹性模量
1.068 1011 N / m2
泊松比
0.32
屈服强度
825MPa
抗拉强度
895MPa
1.2 网格模型
对模型进行有限元网格划分，对于叶片进行整体网格划分，设置最小化分单 元为 0.5mm，其中叶片包含 121669 单元，192596 节点。空心叶片 91496 单元， 182997 节点。窄弦叶片 87140 单元，138560 节点。
－ 10 －
一阶
二阶
－ 11 －
三阶
四阶
－ 12 －
五阶
六阶 （1）模态计算结果见表 4，由各阶振型可知:1 阶、2 阶、4 阶等振型叶片上 出现横节线，为各阶弯曲振动; 3、6 阶振型叶片上出现纵向节线，为各阶扭转 振动。 5 阶等振型叶片上出现不规则节线，为局部高阶复合振动模态。叶片整 体振动位移以弯曲振动为主，最大挠度发生在前缘叶尖处。这使得在前缘附近 易发生气体分离，影响风扇效率。各转速下的振型非常接近。
－ 7 －
F2 F1 / 22 1597.3N
(3)
根据前面的假设，认为式(3)中 F2 平均分布在叶片表面，通过几何模型可以 确定风扇叶片受力面的面积为 A=0.15049609m2 ，则叶片表面上的平均压力为:
P F2 / A 10613.56Pa
（4）
离心力的载荷，是直接在 ANASYS WORKBENCH 环境下，对风扇叶片的有限元 模型施加一个绕发动机轴线的转速，以代替离心力载荷，其中 Y 轴就代表发动 机的旋转轴。取发动机最大转速 N1 4000r / min 或者 418.88rad / s 根据叶片结构特点， 将叶片看作是一个固支的悬臂梁。 叶片采用燕尾式榫头， 所以对于叶片的约束方法是，榫头的底面和侧面设置为固定约束，以限制该面 的位移。
V
流量 QM
气 流 速 度 气 流速 度
V1
V2
0
207m / s
4350r / min
251kg / s
207m / s
347m / s
根据动量定理可知，单位时间内流过风扇的气体的动量的改变量等于风扇作 用给气体力。而其反作用力就是风扇所受到的气体力。由动量定理得:
Ft MV2 MV1
(1)
Civil Aviation University of China
航空发动机强度与振动
课 程 设 计 报 告
姓 学 班 专
名： 号： 级： 业：
指导教师：
201 年 月
课程设计报告
基于 ANSYS WORKBENCH 的宽弦风扇叶片振动分析 摘要：针对叶片的振动失效关系到整台发动机的工作可靠性的问题，基于振动
式中， M QM t , V1 V 207m / s ， V2 347m / s 故风扇作用给气体的力为:
F QM (V2 V1）
=251 （347-207） =35140N
(2)
则风扇受到的气体力 F1 F 35140N ，该风扇有 22 片叶片，那么单个风扇叶片受 到的气体力为:
2.2 应力图、位移图
图 9 实心叶片应力分布及最大点位置
－ 8 －
图 10 实心叶片位移分布及最大点位置
2.3 应力图、位移图分析
从图 9 中可以看出由于宽弦风扇叶片受到气流冲击和离心力的作用在叶片叶 根处的应力最大，因为叶片是相当于根部固装的悬臂梁，受到离心力和气体力 的作用下，会在叶根处形成大的应力；从图 10 中可以看出在工作状态，在工作 状态，由于宽弦风扇叶片受到气流冲击和离心力的作用，在叶片的叶尖处速度 最高，因此，叶片的最大位移位于叶尖处，由叶身的颜色变化可以看出叶身的 位移沿径向逐渐降低，在质心以下接近叶片座处，即叶片榫头处，位移为零。
叶片的强度与振动分析
一、叶片的静力分析
1.1 给出有限元模型
叶片模型如下图所示，相关参数如下：
图 1 宽弦实心叶片
图 2 窄弦实心
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图 3 宽弦空心叶片横截面
图 4 宽弦空心叶片纵截面
某型发动机风扇叶片是三维设计的钛合金金宽弦风扇叶片，几何造型比较复 杂，通过燕尾榫槽连接，材料 TC4 钛合金宽弦风扇叶片弯扭成形，叶身高度为 600 mm，初始扭转角度为 61.30[4]度，叶片数目为 22[5]片（PW4084） 。实心宽弦 风扇叶片的弦长为 216.89mm， 弧长为 219.38mm， 叶片迎风面表面积为 150496.09 平方 毫米，空心宽 弦风扇叶片 的蒙皮厚度 为 2mm ，窄弦风扇叶 片的弦长 为 145.51mm，弧长为 146.25mm，扭转角为 30 度，叶片数目为 38 片。空心夹层叶 片中间有 8 根支柱[6]。 TC4 钦合金的相关材料参数如表 1 所示 材料密度
三、风扇叶片的振动特征分析
3.1 风扇叶片的固有振动频率
宽弦风扇叶片叶根处固支，风扇叶片的工作转速在 0—5000RPM 之间。风扇 叶片在静止状态和最大转速下(包括离心力强化效果)的频率见表 4。
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表4 阶 形式 次 1 一弯 离心 离心 +气动 2 一弯 离心 离心 +气动 3 一扭 离心 离心 +气动 4 二弯 离心 离心 +气动 3.1.1 叶片动态模态分析 载荷
由于宽弦空心结构的风扇叶片具有先进的气动性能、抗振能力和减重效益， 以及先进的 SPF/DB 组合工艺技术[1]，使制造成本大为降低，所以，宽弦空心风 扇叶片也被新一代高推重比军用涡扇发动机所采用。 航空发动机风扇叶片的展弦比大、应力水平高、工作条件恶劣，以及高速旋 转产生的离心力和气流冲击引起的气动力易使叶片发生振动。发动机由振动引 起的故障占总故障的 60%以上，其中叶片振动故障占总振动故障的 70%以上[2]。 叶片振动尤其是共振将产生较大的振动应力，易导致叶片疲劳失效。因此，振 动特性分析是研究发动机叶片减振、抗疲劳问题的关键因素。 本文考虑了离心载荷和稳态气动载荷共同作用的影响[3]，通过数值模拟方法 研究了某航空发动机宽弦风扇叶片的振动特性。并且通过比较实心宽弦风扇叶
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图 5 宽弦实心叶片网格图
图 6 宽弦实心叶片局部网格图
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图 7 宽弦空心叶片横截面网格图
图 8 窄弦叶片网格图 表2 叶片类型 空、实心叶片属性比较 质量 KG
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总质量减轻 KG
实心 空心 窄弦 夹层空心
7.6413 kg 3.6182 kg 5.4357 kg 4.0101 kg
0 88.5082 83.8128 79.8864
二、叶片的强度分析
2.1 边界条件
在发动机工作时，风扇叶片承受的载荷主要有离心力载荷、气动力载荷、以 及一定的热负荷和振动负荷。对于风扇叶片，由于工作温度较低，且温度分布 比较均匀，所以在加载中忽略热负荷。由于该型风扇叶片为宽弦叶片，振动水 平比较低，故振动负荷不考虑，只计算主要的载荷离心力和气动力对风扇叶片 强度的影响。 一般假设： 为了简化计算过程，我们作如下假设: 1)把风扇叶片看作根部完全固定的悬臂梁，施加约束时，将榫头底部完全 固定。 2)风扇叶片仅承受自身质量离心力载荷和横向气体力载荷，不考虑热负荷 和振动负荷的影响。 3)近似认为作用在风扇叶片上的气体力载荷是均匀分布的。 由于非稳态气动载荷及机械结构激励的复杂性， 本文在进行叶片振动分析时 仅考虑叶片所受的离心和稳态气动载荷的影响。在有限元分析中，叶片的离心 载荷通过对叶片施加绕旋转轴的额定转速来实现，气动载荷通过工作点化简计
图 15 窄弦叶片位移分布及最大点
图 16 窄弦叶片应力分布及最大点
－ 分布
图 18 空心宽弦叶片纵截面位移分布
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图 19 空心夹层叶片位移分布及最大点
图 20 空心夹层叶片应力分布及最大点
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图 21 空心夹层叶片横截面应力分布 分析说明： 1、 比较空、实心风扇叶片的位移分布可以看出空心叶片的位移较实心叶片较 大，这是由于空心叶片内部无材料，受力之后容易发生变形，而且在数值 上要比实心的大的多。 2、 对于应力的分布可以直接看出两者的差别，空心的最大应力处位于叶根靠 边缘区域，而实心叶片的最大应力区域则位于叶根的中间位置，这是由于 空心叶片在一定程度上可以有自由变形，但是在叶根边缘处相当于实体而 不能产生较大变形引起在叶根边缘形成较大应力，而且实心叶片的应力比 空心叶片应力大，这是由于离心力的不同而引起的，实心叶片受离心力大 使得在叶根部位应力大，空心叶片的离心力小引起的应力小。 3、 窄弦叶片的位移大小分布基本上是沿径向方向上分布的，因为窄弦叶片的 扭转角小，受力状态不复杂，类似于等截面梁的位移分布，而且窄弦的应 力最大点也是位于叶根的中间部位。 4、 空心夹层叶片由于存在夹层所以应力分布与空心叶片相比差距较大， 并且