基于流固耦合的压气机叶片静力及模态分析

摘要

随着航空发动机技术要求的不断提高大大促进了高负荷高转速压气机的发展。压气机在实际工作中，叶片高速旋转，其不仅承受着巨大的离心载荷，而且在对空气做功的同时也承受着叶片两侧压差所形成的巨大气动载荷，在这两种载荷的共同作用下，叶片会发生不同程度的形变；另一方面压气机叶片在实际工作中还会受到各种机械振动，而机械振动产生破坏的主要原因是由共振引起的，当外界激振力频率与叶片的某阶固有频率接近时，叶片的振幅会急剧增大，这可能会引起叶片疲劳产生裂纹甚至发生断裂。针对以上问题，本文基于ANSYS Workbench平台以NASA Stage35试验压气机作为研究对象，分别对压气机的气动特性、叶片的静力形变以及模态展开了相关研究，主要涉及的研究内容如下：
　　1.压气机流体域与固体域的建立。使用 UG进行压气机叶片初步三维建模，然后通过 BladeEditor进行子午流道绘制，再通过 BladeGen进行叶片重构，然后分别导入TurboGrid与 DesignModeler建立压气机流体域与固体域，为压气机气动分析、基于流固耦合的叶片静力分析以及模态分析奠定基础。
　　2.压气机气动特性分析。采用Workbench作为计算控制平台以提高工作效率，通过CFX对流体域进行求解，得到流体域流场分布及叶片表面压力分布，并且将求解得到的压气机压比、温比、流量、效率等特性参数与试验结果进行对比，验证了数值模拟的准确性，然后对压气机内部流场、叶片表面压力分布、结果误差等方面进行了详细分析。
　　3.基于流固耦合的压气机叶片静力分析。对不锈钢、钛合金、铝合金动叶在全工况下的最大叶片形变量和最大等效应力进行了定量分析，并对钛合金动叶的气动变形、离心变形和组合变形所对应的叶片形变量分布和叶片等效应力分布进行了详细分析，在此之后又研究了不同材料动叶叶顶间隙在100％工况下随出口背压的变化情况，最后定性分析了静叶在100%工况下随压气机出口背压变化的叶片变形情况。
　　4.基于流固耦合的压气机叶片模态分析。通过模态计算得到了不锈钢、钛合金和铝合金动叶在不同转速下无预应力和有气动载荷预应力以及离心载荷预应力下的固有频率和各阶的模态振型，通过不同转速下的动叶固有频率和激振力绘制出不同材料叶片的坎贝尔图，并对坎贝尔图的叶片共振情况进行了分析。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2流固耦合问题概述

1.3流固耦合问题研究状况

1.4多物理场耦合平台（MpCCI，ADINA，COMSOL，Workbench）

1.5压气机叶片模态研究状况

1.6本文主要研究内容

1.7本章小结

第2章 压气机气动分析

2.1引言

2.2计算流体力学理论

2.3 网格生成及离散方法

2.4数值模拟软件介绍

2.5计算模型建立

2.6流体域模型介绍

2.7流体域模型校核

2.8流体域网格无关性验证

2.9压气机全工况特性曲线

2.10压气机内流场分析

2.11本章小结

第3章 基于流固耦合的压气机叶片静力分析

3.1引言

3.2流固耦合数学模型

3.3流固耦合界面网格不匹配数据传输

3.4有限元静力分析理论

3.5 ANSYS Mechanical介绍

3.6固体域建模与边界条件设定

3.7网格无关性验证

3.8全工况不锈钢、钛合金、铝合金动叶变形分析

3.9钛合金动叶具体变形情况

3.10全工况不锈钢、钛合金、铝合金动叶最大等效应力分析

3.11钛合金叶片等效应力分布情况

3.12 100%工况下各材料叶顶间隙变化

3.13 100%工况下不同出口背压静叶变形分析

3.14 本章小结

第4章 压气机叶片模态分析

4.1 引言

4.2 模态分析基础理论

4.2 ANSYS模态提取方法

4.3 ANSYS模态求解过程

4.4 模态计算结果

4.5本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢