基于光纤光栅传感的旋转叶片振动测试与分析

摘要

在航空航天产业高速发展的今天，航空发动机的性能与安全备受关注。压气机作为航空发动机的重要部分，一旦发生安全事故，将会导致灾难性的损失。压气机主要功能是为发动机提供压缩空气，它的工作环境十分恶劣，因此它是航空发动机较容易发生故障的部分。本文的研究内容就是分析压气机发生故障的主要原因之一，即压气机叶片发生振动，提出一种基于光纤光栅的测量方法，可实现压气机工作叶片的工作状态的实时监测，以便于发动机运行过程中远离共振转速，避免叶片发生共振所带来的危害。
　　 本课题的研究目标是测量分析得出压气机旋转叶片在静态下的振动特性，为后续研究压气机旋转叶片在高速旋转状态下的振动特性打下基础。以某型航空发动机压气机二级叶片为研究对象，从叶片振动系统基础理论着手，分析得出压气机旋转叶片在工作状态下的振动形式包含自由振动、受迫振动、自激振动三种。基于有限元法分析理论，采用Pro/e、Hypermesh和ANSYS等相关软件对叶片进行建模仿真，计算得出叶片振动特性的三个模态参数，即固有频率、振型和振动应力。并在此基础上，分析得出发动机的危险共振转速。对比光纤光栅法与电阻应变片法、加速度传感器法测量叶片振动的实验结果，得到光纤光栅测量叶片振动应变的可行性、准确性及优越性。最后，搭建光纤光栅测量压气机旋转叶片振动应变的实验系统，分析相关实验数据，对比仿真分析结果，进一步验证了采用光纤光栅测量压气机旋转叶片振动应变的可行性和准确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外旋转叶片的振动测量技术研究现状

1．2．2 光纤光栅传感技术的应用

1．3 课题来源及论文主要内容结构安排

第2章 叶片振动分析理论

2．1 机械振动系统基础理论

2．1．1 单自由度振动系统分析

2．1．2 多自由度振动系统分析

2．2 航空发动机压气机叶片的工作原理和结构

2．2．1 航空发动机压气机叶片的工作原理

2．2．2 航空发动机压气机工作叶片的结构

2．3 压气机叶片的常见故障原因及振动分析

2．3．1 压气机叶片常见故障及原因

2．3．2 压气机叶片振动的基本形式

2．3．3 压气机叶片振动特性的主要参数

2．4 压气机工作叶片的共振特性分析

2．4．1 叶片激振力分析

2．4．2 压气机叶片共振分析

2．5 本章小结

第3章 基于ANSYS的压气机叶片模态分析

3．1 ANSYS有限元方法介绍

3．1．1 有限元法的基本概念及原理

3．1．2 有限元法在机械结构动力学中的应用

3．1．3 有限元分析软件ANSYS的简介

3．1．4 有限元ANSYS分析的基本步骤

3．2 压气机叶片基于ANSYS的有限元分析

3．2．1 压气机叶片的三维模型的建立

3．2．2 压气机叶片Pro／e模型与ANSYS的接口问题

3．2．3 压气机叶片网格划分

3．2．4 模态分析计算方法

3．3 压气机叶片ANSYS模态分析结果

3．3．1 叶片的各阶固有频率

3．3．2 叶片模型各阶振型及等效应力分布图

3．4 本章小结

第4章 叶片振动应变测试的实验研究

4．1 叶片振动测试方法介绍

4．1．1 电阻应变片测试振动应变

4．1．2 加速度传感器测试振动位移

4．1．3 光纤光栅测量振动应变

4．2 几种方法测量振动对比实验

4．2．1 光纤光栅与应变片法测量振动对比实验

4．2．2 光纤光栅与加速度传感器测量振动对比实验

4．3 光纤光栅叶片振动测量系统

4．3．1 叶片振动测量系统平台的搭建

4．3．2 测量系统仪器设备

4．3．3 实验方案的设计及结果分析

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

致谢

参考文献