复合材料风扇叶片结构预变形设计研究

摘要

传统的飞机发动机风扇叶片设计方法,虽然有很多优点，但是不可避免的都是根据工作环境来设计叶片。在工作过程中，叶型在气动力和离心力的共同作用下会产生变形，导致叶型发生偏差，与原始设计工作叶型不符，所以要对叶片进行预变形设计分析，以保证风扇叶片在实际运行的尺寸和原始设计的尺寸一致或者趋近一致。 近些年，复合材料在航空发动机上的应用是目前一个全新的研究方向。复合材料因其比强度大，比刚度高，疲劳性能好，可设计其内部纤维的含量和内部结构的铺设方式等优秀条件，逐渐取代了原本金属基材料的地位，成为航空发动机风扇叶片的重要材料之一，因而研究复合材料风扇叶片预变形设计具有重要的现实意义。 本文综合使用UG NX、Visual Studio2010、ANSYS、C/C++编程语言和APDL语言，完成叶片的参数化建模、复合材料工程弹性系数的设定以及预变形迭代算法的运行。具体研究内容如下： （1）利用UG/Open API函数和Menuscript模块，依靠C/C++编程语言的支持，在VS2010的编译器中，完成了对复合材料风扇叶片的参数化建模。从关键点的导入到叶片截面线的建立再到整体叶身的创建全部由程序代码自动运行，实现了从点到线再到面的三维参数化建模，为后续的有限元分析奠定了基础。 （2）根据叶片的工作情况以及力学性能要求，采用各向异性复合材料（HT3/5224）作为风扇叶片的材料，用ANSYS软件完成叶片相关工程弹性系数的设定，应用SOLID46单元在叶片模型中建立层合板结构，最后将气动力和离心力加载到叶片模型上,完成变形分析。 （3）使用APDL语言，提取原始叶型和变形之后的叶型之间的位移差值，采用反向叠加的方法进行节点位移之间的迭代计算，叠加位移之后的模型和原始设计模型的最大位移差值在第1次迭代之后为0.1994mm，在15次迭代计算之后，最大位移差值的数量级已经下降到10-8(mm)单位，结果表明，在10-6(mm)单位的时候，对于空间上节点坐标来说已经达到了收敛的条件，说明得到的预变形模型满足设计要求。 综上所述，本文完成了复合材料风扇叶片的参数化建模、相关复合材料工程弹性系数的设定、气动离心载荷插值、迭代计算位移差值和预变形设计叶型。对复合材料风扇叶片的设计有着一定的参考价值。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 引言

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究动态

1.3 理论基础介绍

1.4研究方法及技术路线

1.5 文章结构安排

1.6 本章小结

第2章 叶片参数化建模

2.1 叶片实体建模准备

2.2 叶片模型的建立

2.3 MenuScript的应用

2.4 本章小结

第3章 复合材料风扇叶片的参数设定和变形分析

3.1 复合材料风扇叶片理论

3.2 ANSYS软件

3.3 ANSYS中复合材料相关参数的设定

3.4 叶片的变形分析

3.5 本章小结

第4章 复合材料风扇叶片预变形设计

4.1 预变形设计

4.2复合材料风扇叶片的预变形设计

4.3 预变形设计结果分析

4.4 预变形收敛判定分析

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 未来工作展望

参考文献

致谢

个人简历及硕士期间发表的学术论文