涡轮风扇结构于数值模拟优化设计.docx

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涡轮风扇结构于数值模拟优化设计 摘要 摘要:采用有限元方法分析出涡轮风扇支板个数为10时发生断裂的原因是高周疲劳破 坏,并且叶片发生疲劳的主要原因是支板个数设置不合理通过Campbell图分析出了两种优 化方案,即支 摘要:采用有限元方法分析出涡轮风扇支板个数为10时发生断裂的原因是高周疲 劳破坏,并且叶片发生疲劳的主要原因是支板个数设置不合理通过Campbell图分析出了两 种优化方案,即支板个数为3和19.从共振点个数、应力水平及理论寿命来看,支板个数为 19均优于3.分别对支板个数为10和3的叶片进行疲劳寿命模拟计算,结果表明,两者的疲 劳寿命均较短,不符合工程实际要求,最终确定支板个数19为优化方案. 关键词:涡轮风扇叶片;支板;振动;疲劳;优化设计 0引言风扇在航空涡轮增压器[1]中的主要作用是为压气机散热,其包括风扇导流环、 支板、风扇叶轮、风扇罩等.在工作过程中,风扇与涡轮同轴连接,随着涡轮轴的转动而转 动,涡轮风扇工作时具有转速高、转速变化范围较宽、形体单薄、气动载荷较大及热载荷大 等特点[2],因此涡轮风扇叶片出现故障的次数较多,其工作状态和使用年限直接影响涡轮 增压器的故障发生.目前,对于叶片与轮盘振动破坏及疲劳分析时,徐可宁等[3]利用三维叶 轮机械气动弹性分析软件AEAS,对某压气机转子错频叶盘结构进行了振动响应分析,吴承 伟等⑷采用疲劳分析方法对离心式叶轮叶片进行了寿命计算并提供了一种计算方式,得出 影响离心压缩机叶片寿命的因素包括稳态平均应力及交变应力. 金鑫[5 ]等采用通用动态尾流理论进行风力机气动力学计算,对叶片进行加载分析, 得出风力机系统振动耦合分析.关振群等[6]对闭式叶轮的振动特性及叶轮的疲劳寿命提出了 运用有限元的方法对其进行计算.总之,国内大多数研究人员对叶片进行振动破坏及疲劳寿 命分析时,主要是利用单一的求解方法,很少能够全部采用有限元数值方法对叶片进行振动 特性分析及疲劳寿命计算,进而优化结构. 基于上述原因,本文在动强度及疲劳分析理论基础上,运用ABAQUS对涡轮风扇叶 片进行分析,并采用Campbell图得出了两种优化方案,通过进行激振力模态分析及疲劳寿 命计算,最终确定出较合理的优化方案. 1涡轮风扇动强度分析 1.1风扇有限元模型建立 涡轮风扇由叶轮和导流罩两部分组成,导流罩外壁与内壁之间通过10个支板连接. 其中叶轮由17个叶片组成,考虑到整体模型划分网格时工作量大的问题,依据整体模型具 有循环对称性的优势,取整体模型沿着周向的1/17扇形(单只叶片)作为基本模型,这样能有 效降低计算时间,提高分析效率.模型建立过程中,由于所提供的IGS格式几何文件中的模 型为壳体,需将几何模型导入UG中,选择合适的公差将涡轮风扇缝合为实体,建立成单只 叶片的模型.之后采用通用CAE前处理软件Hypermesh建立风扇的有限元模型,即将取出的 单只叶片导入Hypermesh中进行单只叶片有限元网格划分,共计14162个单元,17880个节 点.具体模型见图1. 1.2材料属性和边界条件 材料属性风扇选用材料为钛合金,由于计算过程中不考虑热应力的作用,忽略 材料随温度的变化,取钛合金(TC4)在常温下的材料属性,钛合金参数见表1. (2)边界条件 涡轮作为动力,通过轴的传动带动风扇转动,在施加边界条件时需要将轴孔处的所 有节点x、y和z方向位移固定,即:U1、U2和U3同时为0,同时选定转轴Z轴,沿着Z 轴方向创建2个基准点,作为旋转方位,施加周期性边界条件,叶片数为17,并且施加循 环对称约束边界条件,如图2所示. 1.3载荷与动强度分析 1.3.1载荷 计算动强度时需要在 ABAQUS中给定转速10、25000、45000、50000、52000、 60000rpm;叶片设置了 10个支板,空气经过导流罩入口,经过支板流向风扇叶轮,由于支板 的存在导致流过叶片的空气不均匀,风扇叶片每旋转一周,这种不均匀性的气体作用一次, 从而产生了周期性的气流激振力,设气流激振力的频率[7]为 式中n为风扇叶片的转速,单位r/s;i为支板个数,取10;T为气流激振力的周期, 单位s;w为激振力的圆频率,单位rad/s.气流激振力的计算结果,通过NUMECA可以得出, 取为800Pa. 1.3.2动强度分析将给定转速与气流激振力加载到叶片模型上之后进行模态分析, 具体结果见表2. 为了进一步研究叶片的共振特性,得出共振点转速与共振频率,确定低阶次频率之 后,还要考虑与支板个数相等的动频、与风扇叶片数相等的动频阶次以及风扇叶片个数与支 板个数之差相等的动频阶次.根据表2绘制了 Campbell图,见图3. 图3中主要关注17倍频(K=17,17为风扇叶片个数),10倍频(K=10,10为支板个 数),

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