航空发动机强度与振动--课程设计
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《航空发动机强度计算》的多媒体教学航空发动机强度计算课程是飞行器动力工程专业学生的专业必修课,以航空发动机的旋转零部件为其研究对象,着重分析了转子叶片的静强度和振动分析、轮盘的静强度分析及整机振动与平衡等方面的内容,希望学生通过本课程的学习,掌握零件或部件的工作条件、强度计算的基本理论与方法。
本课程以航空发动机结构、原理及机械振动、理论力学、弹性力学等课程为先修课程,具有显著的多学科交叉的特点。
采用传统的板书教学方法,学生难以对实际结构有形象的认识,教学过程枯燥,不利于学生深入理解力学模型的建立,导致教学效果不理想。
21世纪,人类跨入信息时代,多媒体技术蓬勃兴起,迅速发展,该技术已经在各个领域得到了广泛的应用。
多媒体进入教育领域之后,教学手段、教学方法、课堂教学结构以及教学理论都随之发生了变化。
因此,本人就关于航空发动机强度计算课程中如何更好地利用多媒体教学方法开展了思考,并提出了与传统教学相结合的建议。
一、多媒体教学之优势航空发动机强度计算作为专业必修课,从航空发动机中抽象出叶片、盘等结构,建立模型,开展结构的应力计算和强度分析,较为艰涩、枯燥,采用传统的板书教学模式,教师对于说明复杂的零部件结构和受载形式往往力不从心,此外,传统的教学方法还受到课堂板书时间、教学语言、课堂纪律等不利因素影响,从而影响学生听课的积极性,教学的进度和教学的质量。
与板书教学相比,教师使用多媒体课件时,学生往往会表现出较大的兴趣。
据有关调查统计,同样的内容,视听结合记忆效果比只凭看提高40%,多媒体教学正是实现视听结合的有效手段。
因此,在发动机强度计算的教学过程中,采取多媒体辅助教学可以达到提高教学效率、吸引学生专注度、加深学生理解力等积极的作用。
多媒体教学是指通过计算机把多媒体的符号、文字、公式、图像、声音、动画等各个要素按教学要求进行有机组合,并采用投影屏幕的形式显示出来,结合教师的讲解和引导达到合理教学过程的目的。
航空发动机振动环境分析与抗振设计随着现代航空事业的快速发展,航空发动机作为飞行的动力源,起到了举足轻重的作用。
然而,航空发动机振动环境对于发动机的正常运行、寿命以及乘客的安全都有着重要的影响。
因此,对航空发动机振动环境的分析和抗振设计成为了航空工程中的关键问题之一。
首先,我们需要了解航空发动机振动环境的来源和特点。
航空发动机在运行过程中会产生多种振动,其中包括机械振动、气动振动和热振动等。
机械振动主要源于发动机内部的部件运动,而气动振动则是由于高速气流通过发动机内部以及排气管道等引起的。
而热振动则是由于温度的变化引起的热胀冷缩效应。
这些振动以及其交互作用,构成了复杂而严密的振动环境。
为了准确分析航空发动机振动环境,工程师们使用了多种手段和技术。
其中,最常用的是有限元分析法。
有限元分析法通过将实际的发动机模型划分为多个小的有限元单元,并对每个单元进行应力分析,从而得到整个发动机的振动情况。
同时,还可以通过模态分析和频谱分析等方法,进一步分析振动的主要频率和振型。
这些分析结果可以为抗振设计提供重要的依据。
针对航空发动机的抗振设计,工程师们采取了多种措施。
首先,通过振动吸收装置来减小振动的传递和影响范围。
振动吸收装置通常是位于发动机支架和底座之间的橡胶垫片,能够有效减小振动的传递,降低振动对其他部件的影响。
其次,采用结构优化设计来提高发动机的整体刚度和稳定性。
例如,通过增加发动机壳体的重量或者采用加强材料,可以提高其抗振能力。
此外,还有一些辅助措施,如合理布置附属设备、减小外部浸润和阻尼材料的使用等,也能够有效降低发动机的振动。
尽管航空发动机振动环境分析与抗振设计已经取得了可喜的进展,但仍面临许多挑战。
首先,航空发动机的运行环境十分复杂,包括高温、高压、高速等,对抗振材料和结构的性能要求极高。
其次,振动环境分析和抗振设计需要建立准确的模型,这对于数据的采集和处理都提出了挑战。
此外,航空发动机是一个动态系统,其振动特性会随着运行状态的变化而变化,对于动态振动特性的分析和设计也需进一步深入。
目录一绪论 (1)(一)航空发动机分类 (1)(二)涡轮风扇喷气发动机 (1)1. 基本工作过程 (1)2. 航空发动机压气机 (2)(三)航空发动机压气机叶片 (2)1.压气机叶片基本结构 (3)2. 叶片振动原因及危害 (4)(四)航空发动机工作可靠性与CAE应用 (4)1. 航空发动机可靠性特征 (5)2. 航空发动机CAE应用 (6)二叶片静力分析 (7)(一)有限元基本思想与模型建立 (7)1. 有限元基本思想 (7)2. 有限元模型建立 (7)(二)叶片静力分析 (8)1. 叶片模型静力简化 (8)2. 静力分析设置 (10)3. 结果分析 (11)三利用ANSYS Workbench对叶片进行模态分析 (12)(一)模态分析简介 (12)1. 模态分析发展及原理简介 (12)2. 模态分析的作用 (12)(二)发动机叶片振动分析 (13)1. WB中模态分析操作步骤 (13)2. 谐波指数 (14)3. 结果分析 (15)四叶片结构优化设计 (19)(一)ANSYS WB 优化设计 (19)1. ANSYS WB设计优化简介 (19)2. WB下优化设计基本操作 (20)(二)频率目标下的优化设计 (22)1. 叶片前3阶模态参数与各变量关系图 (22)2. 叶片综合优化 (27)3. 航空发动机叶片新技术 (32)致谢 (33)参考文献 (35)一、绪论1903年12月17日,美国工程师莱特兄弟实现了人类历史上首次有动力、载人、持续、稳定和可操作的重于空气的飞行器的飞行。
这使得几千年来由少数人从事的对飞行事业的探索在后来的百年发展中形成对世界政治、军事、经济和技术以致人们的生活方式都有着重要影响的航空业。
对于航空飞行器来说最重要的就是航空动力装置,航空动力装置的功能是为航空器提供动力,推动航空器前进,所以航空动力装置也称为航空推进系统。
航空发动机中由共振引起的叶片疲劳损伤故障是多发性的常见故障,目前由于我国航空发动机低压压气机工作叶片长、高负荷并要求有较强的抗冲击损伤能力。
航空工程学院航空发动机综合课程设计在发动机防冰打开时,发动机进近慢车转速低题目Engine Idle Speed: Approach Idle Speed Low:Engine Anti・Ice is ON作者姓名专业名称__________________ 飞行器动力工程指导教师____________________ 李平教授提交日期答辩日期目录第一章CFM56-7发动机概述 (1)第二章发动机防冰系统介绍 (3)2.1发动机防冰系统 (3)2.2发动机防冰部件 (4)2.3发动机防冰原理 (6)2.4发动机防冰结构框图 (7)2.4发动机防冰功能框图 (7)第三章发动机EEC和DEU介绍 (9)3.1发动机电子控制器(EEC) (9)3.1.1发动机电子控制器(EEC)概述 (9)3.1.2发动机电子控制器(EEC)接头 (9)3.1.3发动机电子控制器冷却 (10)3.1.4发动机电子控制器功能描述 (10)3.1.5发动机识别插头 (11)3.1.6发动机电子控制器交流发电机 (12)3.1.7发动机电子控制器(EEC)供电 (13)3.1.8 EEC结构框图 (14)3.1.9EEC功能框图 (15)3.2显示电子组件(DEU) (16)3.3DEU结构框图 (17)3.3 DEU功能框图 (17)第四章故障分析 (19)4.1故障原因概述 (19)4.2故障原因分析 (19)4.2.1发动机防冰控制开关故障 (19)4.2.2发动机防冰控制开关与DEU之间线路和连接器故障 (19)4.2.3 DEU 故障 (20)4.2.4EEC 故障 (20)4.3排故过程 (20)4.4故障危害 (21)4.5故障树 (21)4.6排故流程图 (21)参考文献: (23)附录:工卡 (24)航空发动机课程综合设计第一章CFM56-7发动机概述CFM56-7 是装载于波音737-600, -700, -800, -900, -BBJ, -COMBI,-C40A 飞机上的高涵道比、双转子、轴流式的涡轮风扇发动机。
航空工程学院航空发动机综合课程设计题目在发动机防冰打开时,发动机进近慢车转速低Engine Idle Speed, Approach Idle Speed Low, Engine Anti-Ice is ON作者姓名专业名称飞行器动力工程指导教师李平教授提交日期答辩日期目录第一章 CFM56-7 发动机概述 (1)第二章发动机防冰系统介绍 (3)2.1发动机防冰系统 (3)2.2发动机防冰部件 (4)2.3发动机防冰原理 (6)2.4发动机防冰结构框图 (7)2.4发动机防冰功能框图 (7)第三章发动机EEC和DEU介绍 (9)3.1发动机电子控制器(EEC) (9)3.1.1发动机电子控制器(EEC)概述 (9)3.1.2发动机电子控制器(EEC)接头 (9)3.1.3发动机电子控制器冷却 (10)3.1.4发动机电子控制器功能描述 (10)3.1.5发动机识别插头 (11)3.1.6发动机电子控制器交流发电机 (12)3.1.7发动机电子控制器(EEC)供电 (13)3.1.8 EEC结构框图 (14)3.1.9EEC功能框图 (15)3.2显示电子组件(DEU) (16)3.3DEU结构框图 (17)3.3 DEU功能框图 (17)第四章故障分析 (19)4.1故障原因概述 (19)4.2故障原因分析 (19)4.2.1发动机防冰控制开关故障 (19)4.2.2发动机防冰控制开关与DEU之间线路和连接器故障 (19)4.2.3 DEU故障 (20)4.2.4EEC故障 (20)4.3排故过程 (20)4.4故障危害 (21)4.5故障树 (21)4.6排故流程图 (21)参考文献: (23)附录:工卡 (24)航空发动机课程综合设计第一章CFM56-7 发动机概述CFM56-7 是装载于波音737-600,-700,-800, -900,-BBJ,-COMBI,-C40A飞机上的高涵道比、双转子、轴流式的涡轮风扇发动机。
航空发动机课程设计一、课程目标知识目标:1. 让学生掌握航空发动机的基本结构及其工作原理,了解不同类型的航空发动机特点。
2. 使学生了解航空发动机发展历程,掌握相关里程碑事件及我国在航空发动机领域的现状。
3. 帮助学生掌握航空发动机性能参数,如推力、燃油消耗率等,并能进行简单的计算。
技能目标:1. 培养学生运用所学知识分析航空发动机故障原因及提出改进措施的能力。
2. 提高学生设计简单的航空发动机模型的能力,培养动手操作和团队协作能力。
3. 培养学生收集、整理和分析航空发动机相关资料的能力,提高信息处理和归纳总结能力。
情感态度价值观目标:1. 培养学生对航空发动机事业的热爱,增强国家使命感和责任感。
2. 培养学生严谨的科学态度和良好的工程素养,提高对工程技术的尊重和敬业精神。
3. 增强学生的团队合作意识,培养相互尊重、沟通协作的精神。
本课程结合学科特点、学生年级和教学要求,以实用性为导向,注重理论与实践相结合。
通过本课程的学习,旨在使学生全面了解航空发动机相关知识,提高解决实际问题的能力,同时培养对航空发动机事业的热爱和责任感。
课程目标分解为具体的学习成果,便于后续教学设计和评估。
二、教学内容1. 航空发动机基本原理:讲解发动机的工作原理,包括燃烧、压缩、涡轮、喷气等基本过程,对应教材第一章。
2. 航空发动机结构及分类:介绍发动机的主要组成部分,如压气机、燃烧室、涡轮等,并讲解不同类型的发动机特点,对应教材第二章。
3. 航空发动机性能参数:学习推力、燃油消耗率、效率等性能参数,并进行实际计算,对应教材第三章。
4. 航空发动机发展历程:回顾发动机的发展历史,了解国内外重要里程碑事件及我国在航空发动机领域的现状,对应教材第四章。
5. 航空发动机故障分析与改进:分析典型发动机故障案例,探讨故障原因及改进措施,对应教材第五章。
6. 航空发动机模型设计与制作:指导学生设计简单的发动机模型,培养动手操作和团队协作能力,对应教材第六章。
补充材料1强度储备强度储备是发动机零件强度可靠性的主要判据。
在确定强度储备时,必须评定发动机零件(元件)的结构强度以及作用力和工作条件。
在实际计算中采用各种强度储备。
按应力的强度储备:max min cr,σσσ=n式中,min cr,σ——断裂应力的最小值;max σ——最大的作用应力。
按寿命或循环数的储备:max min r,t t n t =max min r,N N n N =式中,min r,t , min r,N ——至断裂的时间(寿命)和循环数的最小值;max t , max N ——加载的时间和循环数的最大值。
按寿命或循环数的储备一般远大于按应力的强度储备:m N n n σ=式中,m ——疲劳曲线或持久强度方程中的幂指数(一般12~4=m )。
按力因素的强度储备:max min r,f f n f =max min r,P P n P =max min r,T T n T =式中,min r,f , min r,P , min r,T ——产生断裂的各加载参数(旋转频率、压力或外力、温度)的最小值;max f , max P , max T ——在工作条件下的上述各参数的最大值。
强度储备一般按某一个增长的加载参数确定(此时其他参数保持不变)。
例如根据应力确定强度储备时,应以一定时间或循环数为条件;根据温度计算储备时,应假定除温度之外,其他加载参数保持不变;以此类推。
一般要定出确定量的强度储备。
此时,相应参数的临界(断裂)值和作用值与定量的置信度评定无关。
断裂时的最小参数值可根据材料或零件的技术条件、手册数据,以及试验研究结果等选取。
作用参数(应力等)的最大值根据苛刻的状态选择。
因为强度储备的主要作用之一是作为新建造的并能成功使用的机器可靠性的尺度,所以它的确定条件应是严格规定的。
近年来开始采用统计的强度储备,计算时,对所取的断裂及作用参数给出近似的置信度评定。
断裂因素值根据一批零件(试样)研究试验加以确定,作用参数的最大值也用一系列测量(张量测量等)求得。
航空工程学院航空发动机综合课程设计此文仅供飞动1206班同学进行格式及容模块参考实际课程设计的篇幅等具体要求以正式下发的通知要求为准题目Failure of the HP Bleed Valve Closure ControlSolenoid on Engine 11号发动机高压引气活门关断控制电磁阀故障作者专业名称飞行器动力工程指导教师梦副教授提交日期答辩日期目录第一章 V2500发动机概述 ......................................................... - 1 -1.1 V2500发动机简介 ........................................................... - 1 -1.2 V2500发动机结构 ........................................................... - 2 -1.3 V2500发动机主要参数 ....................................................... - 3 -第二章 V2500空气系统 ........................................................... - 4 -2.1 V2500空气系统概述 ......................................................... - 4 -2.2 V2500空气系统结构 ......................................................... - 4 -2.2.1 推进气流............................................................. - 4 -2.2.2 涡轮间隙控制......................................................... - 5 -2.2.3 压气机气流控制....................................................... - 5 -2.2.4 第四级轴承冷却....................................................... - 7 -2.2.5 风扇及核心机冷却..................................................... - 8 -第三章高压引气活门关断控制电磁阀故障分析...................................... - 10 -3.1 发动机高压压气机引气气系统................................................ - 10 -3.2 高压引气活门关断控制电磁阀故障分析........................................ - 10 -3.2.1 高压电磁引气阀关断控制故障.......................................... - 13 -3.2.2 从高压引气活门关断控制电磁阀(4029KS)到 EEC(4000KS)的接线故障.... - 14 -3.2.3 EEC故障 ............................................................ - 14 -3.3故障树 .................................................................... - 15 -3.4排故步骤 .................................................................. - 16 -参考文献........................................................................ - 17 - 修改正文后请记得更新目录页码同一级标题格式相同,对左边页边顶格书写,数字和汉字之间统一留1空或2空同一标题下的数字编号方法要统一,例如:一级标题用一、二、三、<此为汉字顿号,占2个字符位>;二级标题用1、2、3、<此为汉字顿号,占2个字符位>;三级标题用(1)(2)(3) <此为汉字扩号>、占2个字符位。
航空发动机强度振动上机作业——36040108 杨珑题目一涡轮转子叶片的应力计算一、叶片受力分析及编程基本思路1.受力分析从左图中可以看出涡轮叶片受到离心拉伸应力,气动力以及所产生的弯矩(受力与压气机相同,方向不同)。
所以要分别计算所受的力及力矩并进行合成。
2.编程思路及方法本题采用常用的C++语言进行编写,由于对程序语言了解不是很多,顾算法比较简单,程序语言比较繁琐,对内存的占用相对较多。
程序的思路为由已知数据分别对离心力,气动力,及其弯矩进行计算,并最后进行合成。
在编程过程中一定要注意各力的符号方向以及单位的统一。
详细方法如下:1).离心拉伸应力及离心力弯矩计算离心拉伸应力及离心力弯矩的计算,由题中已知数据采用数值积分的算法进行计算。
2).气动力弯矩采用积分方式进行,更加准确double integral1(double a,double b,double r) { double s=0,h,y,sum=0,pa=a,pu=b; int i;h=(0.628-r)/10000; /*积分步长*/ for(i=0;i<10000;i++) { s=(fun1((r+i*h),pa,pu,r)+fun1((r+(i+1)*h),pa,pu,r))/2; y=s*h; sum=sum+y; }return sum;/*返回积分值*/()()()1112,121121211i i imi i i mi i i i mi mi i ii cTi jj i iz z z z z z A A A P A z z F F F FA A ρωσ---=∆=-=+=+∆=∆=∆+∆++∆=∆∑()()()()()111112212/2/2/2i i i i i mi i i mi i i mi i i y i mi z i miV A A z z x x x y y y z z z F V y F V z ρωρω-----∆=+-=+=+=+∆=∆∆=∆,11,1()()()j jxj c mi j z mi j yi i jyj c mi j zi M y y F z z F M x x F ====-∆--∆=--∆∑∑∑3.弯矩合成及总应力二、算法分析及心得1.算法框图cos sinsin cos j xj yjj xj yjM M MM M Mξηαααα++==-,,,j jb Aj jb Bj jb CM MI IM MI IM MI Iξηξηξηξηξηξησηξσηξσηξ===A AB BC C---2.心得体会本题可以说是航空发动机叶片振动计算的典型代表,题目本身并不难,目的是让我们对编程计算有一定的了解认识,锻炼自己分析优化问题的能力。
航空发动机整机振动控制技术分析摘要:本文主要对航空发动机整机振动控制技术进行解析。
首先阐述航空发动机整体振动控制技术的设计过程,同时从航空发动机整机振动控制技术的装配过程以及验证过程等方面,详细解析了控制技术的操作要点。
关键词:航空发动机;整机振动;控制技术引言航空发动机整机一旦出现振动问题会影响到飞机的安全飞行,因此需要明确发动机振动的影响因素,通过利用现代化技术来控制振动现象,从而提升航空飞机发动机的运行稳定性。
1 航空发动机整体振动控制技术的设计过程(1)系统动力学设计。
在该设计过程中,主要研究的是转子动力学系统,特别是转子临界转速问题,确保其运行的稳定性,才能达到使用的效果。
比如某发动机本身就有双转子临界转速的结构,但是没有实现系统整体性判定,容易导致发动机过载或者不同心的问题,所以研究人员展开分析和研究,耦合系统振动特性存在偏差。
此外,发动机系统设计中,应积极有序的组织进行线性系统振动分析,优化系统内技术参数,比如刚度参数、阻尼参数等,从而得出最佳的设计效果。
在发动机技术不断发展与提升的背景之下,要处理强非线性因素适应度,就要进行整个系统的振动控制,实现综合性分析。
发动机的基本参数是人们关注的重点,集中分析概率分布,并且选择合适的处理措施。
但是也要注意,结构功能差组合参数、装配过盈范围参数以及温度梯度参数等,都进行动柔分析。
因此,技术人员为了预防发生整机振动的问题,通常要将整体结构作为系统展开分析,分析研究力学特性结构,掌握振动原理,提高设计水平。
(2)支承连接系统动力单元。
经过动力学分析后发现,很多人对于航空发动机的振动解决方法有所掌握,但是还存在支点准确性以及连接结构动柔度不合格的问题。
因此测量支点的精柔度极为重要,所以要充分的关注影响参数变化的因素,防止发生零部件变形的问题,特别是轴承与游隙的控制,确保数据的完整性。
在常规数据分析是,临界转速对支点柔度较为敏感,所以也能够保证静子轴承结构体系设置合理,工作温度参数符合要求,集中处理振动测试项目,保证两者关系的正常化,解决存在的问题,发布相关的处理措施。
航空发动机强度与振动结合实验教学的探索与实践作者:董立辉来源:《新教育时代·教师版》2016年第26期摘要:针对《航空发动机强度与振动》课程理论性强的特点,通过对课程教学现状的分析,探索结合实验的理论教学,调动学生学习的主动性和培养学生分析解决具体工程问题能力,提高教学质量。
关键词:航空发动机强度与振动教学探索实践引言《航空发动机强度与振动》是一门理论性较强的航空工程类专业基础课程,该课是以理论分析为基础,基本概念多,内容抽象,公式多而乏味,教师难教、学生难懂成为较普遍的现象。
课程的教学改革与实践,就是通过实验教学环节,使学生强化本课程的理论学习效果,为学习后继专业课程、从事工程技术工作和科学研究以及开拓新技术领域打下坚实的基础,以达到更快、更好地满足新时期人才培养要求。
一、《航空发动机强度与振动》开展教学改革的必要性高等教育发展的核心任务是提高教学质量,这是发展建设高等教育强国的基本要求。
现在我国大学教育阶段的主要形式依旧是课堂教学,保障课堂教学质量是教学不断进行改革的主要原因[1]。
现阶段《航空发动机强度与振动》仍然是以公式推导为主,虽然推导的内容是来源于工程实践,但依旧避免不了枯燥的推导环节,推导出的结果与实际的工程应用也存在一定差距,学生的学习效果也不甚理想,因此探索提高《航空发动机强度与振动》课程教学质量的教学方法十分有必要。
《航空发动机强度与振动》课程的授课对象为大四学生,已经经历过专业基础课及专业实习,学生们对实际的发动机工作原理等内容已经比较熟悉,《航空发动机强度与振动》课程则比较专业地针对发动机工作过程中的强度问题与振动问题,是在基础知识上的进一步提高。
经过了该课程的学习,学生们可以在工作中更好地处理工程中遇到的问题,尤其在牵涉到强度安全等方面问题的处理上更加能够得心应手,因此提高教学质量,对于学生毕业后的工作意义重大。
培养综合素质高和具有创新性人才一直是高等教育所追求的重要目标[2]。
航空发动机的振动分析与控制在现代航空领域,航空发动机被誉为飞机的“心脏”,其性能和可靠性直接影响着飞行的安全与效率。
然而,航空发动机在运行过程中不可避免地会产生振动,过度的振动不仅会影响发动机的性能和寿命,还可能引发严重的安全事故。
因此,对航空发动机的振动进行分析与控制具有极其重要的意义。
航空发动机振动产生的原因是多方面的。
首先,发动机内部的旋转部件,如涡轮叶片、压气机叶片等,由于制造误差、材料不均匀等因素,在高速旋转时会产生不平衡力,从而导致振动。
其次,气流的不稳定流动、燃烧过程的不均匀性以及机械部件之间的摩擦和冲击等,也会引起发动机的振动。
此外,发动机的安装方式、与飞机结构的连接以及外部环境因素(如温度变化、风载荷等)都可能对振动产生影响。
为了准确地分析航空发动机的振动,需要采用一系列先进的测试技术和分析方法。
振动测试是获取振动信息的重要手段,常用的传感器包括加速度传感器、位移传感器等。
通过在发动机的关键部位安装这些传感器,可以实时监测振动信号。
对采集到的振动信号进行处理和分析是关键的一步。
傅里叶变换是一种常用的分析方法,它可以将时域信号转换为频域信号,从而帮助我们识别振动的频率成分。
此外,还有小波分析、模态分析等方法,它们能够更深入地揭示振动的特征和规律。
在对航空发动机振动进行分析的基础上,采取有效的控制措施至关重要。
主动控制和被动控制是两种常见的控制策略。
被动控制主要通过增加结构的阻尼、改变结构的刚度等方式来减小振动。
例如,在发动机的结构中添加阻尼材料,如橡胶、粘弹性材料等,可以有效地消耗振动能量。
优化发动机的支撑结构,提高其刚度和稳定性,也能够降低振动水平。
主动控制则是通过引入外部的能量和控制算法,实时地对振动进行干预和调整。
常见的主动控制技术包括主动磁轴承、压电作动器等。
主动磁轴承可以通过调整磁场来控制轴的位置和运动,从而减少振动。
压电作动器则利用压电材料的特性,根据控制信号产生相应的力来抑制振动。
航空发动机强度与振动
课程设计报告
姓名:肖庭文
专业:飞行器动力工程
班级:080141H
指导教师:李书明(教授)
但敏
二0一一年十一月
题目及要求
题目 基于ANSYS 的叶片强度与振动分析
1.叶片模型
把叶片简化为根部固装的等截面悬臂梁。
叶片模型如右图所示,相关参数如下:
叶片长度:0.04m 叶片宽度:0.008m
叶片厚度:0.002m
叶根截面距旋转轴的距离为0.16m 材料密度:3
m /kg 7900
弹性模量:
a
11
P 10
.12
泊松比 : 0.3
2.叶片的静力分析
(1)叶片在转速为5000rad/s 下的静力分析。
要求:得到von Mises 等效应力分布图,并对叶片应力分布进行分析说明。
3.叶片振动的有限元分析
(1)叶片静频计算与分析
要求:给出1到10阶的叶片振型图,并说明其对应振动类型。
(2)叶片动频计算与分析
要求:计算出叶片在转速为1000rad/s ,2000rad/s,4000rad/s,8000rad/s,10000rad/s 下的动
频值,用表格形式表示。
(3)共振分析
要求:根据前面的计算结果,做出叶片共振图(或称Campbell 图),找出叶片的共振点
及共振转速。
4. 按要求撰写课程设计报告
说明:网格划分必须保证结果具有一定精度。
各输出结果图形必须用ANSYS 的图片输出功能,不允许截图。
课程设计报告
基于ANSYS 的叶片强度与振动分析
1.ANSYS 有限元分析的一般步骤 (1)前处理
前处理的目的是建立一个符合实际情况的结构有限元模型。
在Preprocessor 处理器中进行。
包括:分析环境设置(指定分析工作名称、分析标题)、定义单元类型、定义实常数、定义材料属性(如线弹性材料的弹性模量、泊松比、密度)、建立几何模型(一般用自底向上建模:先定义关键点,由这些点连成线,由线组成面,再由线形成体)、对几何模型进行网格划分(分为三个步骤:赋予单元属性、指定网格划分密度、网格划分)
在本课程设计中,先在Preferences 中定义了所要研究的对象是structural (结构),然后在Preprocessor 中定义材料的类型为structural solid->Brick 8node 45,再设定材料密度为DENS=7900kg/m 3,弹性模量为EX=a
11
P 10
.12 ,泊松比为
PRXY=0.3 。
最后根据叶片在空间的摆放位置创建关键点(Keypoints ),然后依次
建立面(Areas )->体(V olumes)。
建体的关键是要使简化的长方体叶片模型底面中线正对X 轴,并能绕其转动。
(2)施加载荷、设置求解选项并求解
这些工作通过Solution 处理器来实现。
指定分析类型(静力分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力分析、谱分析等)、设置分析选项(不同分析类型设置不同选项,有非线性选项设置、线性设置和求解器设置)、设置载荷步选项(包括时间、子步数、载荷步、平衡迭代次数和输出控制)、加载(ANSYS 结构分析的载
于几何模型的关键点、线、面、体上)然后求解。
在本课程设计中,静力分析时要固定底面边界,施加5000rad/s绕X轴的转速;模态分析中的静频分析时要固定底面边界,设定10阶最大阶数,然后求解(solve),最后查看结果; 模态分析中的动频分析时要固定底面边界,先在static 分析类型中第一次求解(solve)出对应转速下的离心拉伸应力,然后再到modal 分析中第二次求解(solve)出动频值,求解时要考虑离心拉伸应力的影响。
(3)后处理
当完成计算以后,通过后处理模块General Postproc查看结果。
ANSYS软件的后处理模块包括通用后处理模块(POST1)和时间历程后处理模块(POST26)。
可以轻松获得求解计算结果,包括位移、温度、应变、热流等,还可以对结果进行数学运算,然后以图形或者数据列表的形式输出。
结构的变形图、内力图(轴力图、弯矩图、剪力图),各节点的位移、应力、应变,还有位移应力应变云图都可以得出,为我们分析问题提供重要依据。
在本课程设计中,主要是通过后处理模块查看叶片变形的位移振动图(DOF solution)和von Mises等效应力分布图(stress)。
算出的动频值结果可以在Results summary中查看,另外还可以通过菜单栏中的PlotCtrls->Hard Copy->To File...中输出白底色图片和PlotCtrls->Animate->mode shape中输出动画。
2.叶片的静力分析
分析:
理论上叶片自上到下应力应该逐渐增大,最小应力MN发生在叶尖部,最大应力MX发生在叶根部。
因为在这里叶片可以简化的看成根部完全固装的等截面悬臂杆。
把叶片网格划分成有限个微元单元体后,在5000rad/s离心力的作用下,靠近外层的微元单元体所受到的外侧材料的总的离心应力较小,越靠近根部时,截面外侧所有材料的离心力都将加载到该截面上,所以越靠近根部,截面所受到的总的离心应力就越大。
用ANSYS软件建模求解后,所得到的叶片应力分布图大致符合理论分析。
上面所显示的叶片最底面并不是红色的最大应力区域,这是因为我们在划分网格时,ANSYS软件模拟出的地面固定边界载荷是作用在底面微元单元体上的节点(nodals)上的,而并不是均布在整个底面平面上,所以输出结果不会出现底面是均布的最大载荷的区域。
但是从叶片应力分布图来看,总的应力趋势还是
从叶片自上到下,应力逐渐增大的,和实际相符。
3.叶片振动的有限元分析 (1)叶片静频计算与分析
基于ANSYS9.0软件的计算过程:先是建立叶片模型(六面体),建模过程中要通过关键点确定它在空间中的精确的相对位置;然后是选择模态分析(modal ),接着设定10阶模态分析,固定底面边界,然后是求解(solve );最后通过Read Results 和Plot Results 查看1-10阶各阶振动位移图(DOF solutions ),结果如下:
总结:
除弯曲和扭转振动外,在叶片上还会出现许多其他振型。
其中有的是弯曲和扭转的复合振型,有些振型还难以给以名称。
其中一阶弯曲振动、二阶弯曲振动、一阶扭转振动……较为常见,危险性也最大。
对于压气机叶片而言,最重要的是一、二弯和一扭振型;对于涡轮叶片,大多是一弯和一扭振型。
(2)叶片动频计算与分析
基于ANSYS9.0软件的计算过程:首先也是建立叶片模型(六面体),建模过程中也要通过关键点确定它在空间中的精确的相对位置(可以精确地绕X轴旋转);然后是选择静态分析(static),计算前要勾选考虑预应力的影响,把第一次solve求解出的对应转速的离心应力关联到下一步的模态分析中;再然后是选择模态分析(modal),勾选考虑预应力的影响,设定10阶模态分析,固定底面边界,然后是第二次求解(solve);最后通过Results Summary查看1-10阶的对应转速下的动频值,将结果列表如下:
(3)共振分析
根据倍频力与转速的关系,将数据列表如下:
观察上面的叶片共振图,现对共振现象进行分析:
作用在叶片上的一个局部的冲击力可以看作是许多谐力之和,谐力的频率为转速的1、2、3……倍。
或称这些力为1、2、3……倍频力。
倍频力也就是所谓的激振力,它可以分为两类:机械激振力和气动激振力。
前者是由于轮盘有振动,因而摇动叶片根部,使叶片发生振动。
通常称为“位移激振”或“位移激扰”;后者是由于气流对叶片表面的压强做周期性的变化,激起叶片振动。
局部障碍将引起各种频率的激振力,其中任一个的频率与邻近叶片的任一振型的自振频率重合时,都会发生“共振”,可能导致危险。
注意到叶片的自振频率也随转速而改变,叶片究竟在哪个转速下发生共振,则可以由共振图(堪培尔图)来说明。
在某一转速下,当激振力的频率值和叶片固有的自振频率值(静频值或动频值)相同时,也就是上图中射线和上升曲线的相交点位置对应的转速,叶片就会发生“共振”现象。
发生共振时会损坏叶片,叶片的振动甚至会引起整台发动机甚至整架飞机的振动,从而很可能会导致严重后果。
所以发动机应该要尽量避免在这种转速下工作。