航空发动机叶片刚柔耦合动力学分析

航空发动机叶片刚柔耦合动力学分析

徐启新

新疆机场（集团）有限责任公司乌鲁木齐国际机场分公司机务工程部新疆乌鲁木齐830000

摘要：航空发动机叶片是航空发动机最重要的部件之一，经常由于共振而导致断裂失效。传统航空发动机叶片的振动特性通常是基于零阶近似耦合动力学模型。模型忽略了动态刚度，结果是有限的。为了更准确地分析高速旋转发动机叶片的振动特性，研究了叶片刚性和软耦合的动力学问题。将叶片简化为柔性薄板，并考虑了表面的变形，并将平面变形包括在表面形变中。本文用假设模态法描述了叶片的变形，利用拉格朗日动力学方程建立了三维空间位移运动柔性叶片的动力学方程。同时，多体系统动力学软件MSC。ADAMS研究了旋转叶片的动态状态，并比较了叶片动力学理论模型和ADAMS的结果。结果表明，近似耦合模型的理论结果与实际结果是一致的，而当叶片高速时，ADAMS和零近似耦合模型的仿真结果是有缺陷的。基于叶片的近似耦合模型，分析了叶片的振动频率、频移和振动方式，验证了该方法的可行性。

关键词：航空发动机叶片；一次近似耦合模型；零次近似耦合模型；刚柔耦合

1前言

飞机发动机叶片是飞机发动机的重要部件之一，常因共振引起的断裂失效，叶片疲劳破坏比引起的共振经常占发动机部件疲劳失效的30%~40%。在叶片的振动分析中，目前人们主要关注的是弹性叶片在空气动力方面的振动，以及在离心力下旋转叶片的振动频率。现有的研究表明:在高速旋转叶片模态的动态频率特性极其复杂的耦合问题，导致频移和模态变化等现象，这类问题的深入研究，将有助于测定叶片的振型和频率，和叶片振动故障的分析。

航空发动机叶片在高转速，它的材料很轻，灵活、动态建模和动态分析，需要考虑叶片的大范围运动与变形和运动之间的相互耦合，而造成的“权力玩家”效应，许多研究证实了“玩家”效应在高速旋转运动的灵活的身体将灵活的动态行为在本质上。然而，这种效应在现有的叶片动力学分析中较少考虑。动力学研究，航空发动机叶片，叶片简化到灵活的表，考虑叶片表面变形(水平变形)，平面变形(纵向变形)，以及外表面变形的耦合效应在相反的叶片的拉格朗日动力学方程动力学建模，推导出刀片包含“权力玩家”效应的耦合动力学方程。开发了动态仿真软件，对叶片的动态响应进行了计算，分析了“频率转向”和“模式变换”的动态特性。论文还采用了动力学分析软件ADAMS的商业和商业有限元软件ANSYS分析叶片的动力学，和商业软件，理论模型的结果与仿真结果比较，验证了本文方法，同时也指出了ADAMS软件这种高速旋转的叶片柔性结构的动力学建模与仿真不足。

2叶片刚柔耦合动力学建模

2.1叶片动能和势能

在非线性耦合项下，不考虑变形描述中的传统叶片动力学模型，将其称为零阶近似动态模型耦合模型，并考虑动力学模型的耦合项作为近似耦合模型。在低速大范围转动时，耦合变形对系统动态特性影响不大，当高速旋转时，耦合变形会对系统动力学产生重要影响，甚至使系统的动态特性发生变化。航空发动机的叶片工作正处于高速的状态，因此预计耦合将对叶片动力学产生很大的影响。

附加刚度和大范围运动的角速度和角加速度与基点的速度和加速度有关。在理论上，附加刚度的动力学模型被定义为近似模型，不包括零次近似模型。在零阶近似模型中，忽略了耦合变形，失去了额外的刚度，在大尺度运动中模拟结果更容易出错。

3刚－柔耦合模型

3.1多刚体模型

在ADAMS软件中，虚拟样机可以参数化，设计者可以在各种情况下研究原型。

原型机的动力学和运动学仿真分析、测试和修改。ADAMS的建模能力有限，通常在其他CAD软件中建立一个原型实体模型，然后以Parasolid格式导入ADAMS/View来创建ADAMS实体模型。对于像机床这样的复杂机器来说，在ADAMS中会有很多部件，但是没有相对运动。要做正确的模拟，你需要在没有相对运动的部分之间建立一个固定的对，以及大量的部分模型。在这种情况下没有相对运动可以建立子装配零件商店的一部分，然后按照合理的顺序到亚当斯，这不是进口部分的形式，而不是模型，使部分ADMAMS显示组件的一个整体，不需要添加固定副。焊接机模型分为八个运动部件。

3.2丝杆的灵活性

细长杆、梁和有线柔性变形主要为轴向扩张，扭力，可用集中质量标准离散成由更严格的灵活的身体，微段没有质量或弹性体，刚体的质量节点微段之间的连接组件质量集中在这些节点。相邻的微段实际上是通过拉伸弹簧和扭力弹簧连接起来的，使得微段的轴向运动和扭转能够反映构件的柔性变形。

3.3滑动枕的灵活性

离散柔性适用于细杆、柔性方法的梁构件，构件的柔性变形不小，刚体的变形较小，刚体之间的相对运动较小，因此性质仍然是刚性构件范畴。通常将一般有限元理论的形状应用于网格单元的有限数目，由有限节点模态向量单元和柔性体弹性变形的线性组合的模态坐标。在柔性体的动力学分析中，采用大范围的刚体坐标和柔性体的模态坐标建立了动态模型。

在ADAMS中建立柔性体的方法可以分为两类:模态中性文件和其他有限元软件的ADAMS自柔化。ADAMS可以使用MSC/NAS-TRAN、ANSYS和ABAQUS，i-deas有限元分析软件来生成有限元模型，将模态的计算作为模态中立的MNF(模态中性文件)进行保存，直接读取在ADAMS中建立一个柔性体。使用ADAMS/汽车Flex模块，可以直接延长的建立灵活的身体在ADAMS/视图文件，然后替换原来的刚体与灵活的身体，包括拉伸方法，使用刚性组件的几何形状来创建一个灵活的身体和导入方法的有限元模型网格文件创建灵活的身体。引入了一个新的亚当斯，一个新版本的亚当斯/汽车Flex组件，可以灵活的形状更复杂的组件，同时身体而不是新的灵活的形式工具，灵活的身体，而不只是形式后，就等待运动副的一种形式，负载自动切换到灵活的身体，在标记点移动到最近的节点，以避免网格有限元软件，刚性节点定义，延长文件导入ADAMS取代只是形式，定义约束和载荷又繁琐的操作。X轴和y轴滑动枕是比较正式的形状。

4仿真分析

滑枕和螺杆的弹性主要是为了了解焊接过程中变形和振动对焊接质量的影响。焊枪最终执行机床运动的一部分，部分的变形和振动位移最终会反映在焊枪，所以使用ADAMS虚拟样机中的耦合分别分析了ram和螺杆的变形和振动性能的焊枪。

4.1变形

y轴运动单元从1000毫米移动到z轴的远端，位移的焊接枪y和x方向。随着y轴运动单元与x滑动枕之间距离的增加，x滑动枕的转矩增加，焊枪的位移也增加，最终变形量为0.4mm。Y滑块的转矩较小，焊枪在x方向上产生一个小位移。X轴螺帽在旋转位移的过程中，螺母在重力的部分，导致螺杆小变形，与螺杆旋转，螺母周期性振动在y和z方向。

4.2振动

焊机不承受切削力，但精度要求的焊接工艺焊接速度和很高，伺服电机减速或高速旋转的过程中可能会刺激机床振动模态的内部，造成机床的振动，焊接轨迹误差，影响焊接的精度。

5结束语

随着叶片速度的增加，叶片的变形较大，而当速度大于叶片节时，零时间近似耦合模型是不正常的当构造第一个自然频率时，计算发散。ADAMS在高速和变形过程中的计算结果也不正常、发散。近似耦合模型的结果是收敛和实用的。分析了软耦合效应的动力学模型，提出了一种近似耦合模型，可满足动态分析精度要求。仔细考虑ADAMS和其他商业软件的结果。

参考文献

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[2]胡文杰.发动机多级联调机构动力学特性分析[D].中国民航大学，2015.

[3]王婧超.航空发动机三维单晶涡轮叶片的多学科设计优化[D].西北工业大学，2007.