叶轮叶片振动模态分析与实验研究

摘要

模态分析是研究各种机械的动态特性，建立动力学模型，进行参数优化必不可少的一种分析技术。近年来在航空航天领域里显示了巨大的作用，在叶轮机械部件振动特性的研究中也取得了很好的效果。
　　 对叶轮叶片振动特性进行研究，模态分析是一种十分有效的方法。通过模态分析可以得到结构的固有频率和振型。一方面可以使叶轮工作转速远离共振转速，即避免外力频率接近叶片固有频率使叶片振动剧烈产生疲劳损伤。另一方面，当叶片结构发生故障时，如出现裂纹、松动、零部件损害等情况，结构物理参数会发生变化，其特征参数如固有频率、模态阻尼、振型、频响函数、相干函数等亦随之改变。根据这些参数的变化情况，可以判断出故障类型，有时还可以判断出故障位置。如根据模态频率的变化判断裂纹的出现，根据振型的分析判断裂纹的位置。
　　 本文以叶轮叶片振动分析理论为基础，对叶片的结构、振型、固有频率进行了理论分析。利用有限元分析软件ANSYS对某实验叶轮进行了模态分析。采用ANSYS仿真和基于应变片测试实验两种方法研究了叶片在各种转速下的振动应变情况，给将来建立监测叶轮叶片应力应变状态及其故障诊断的系统打下基础。本文的具体工作如下：
　　 (1)介绍了叶轮叶片的结构，对叶片的振型进行了分析，并推导了叶片振动的固有频率计算公式。根据振动学理论，建立了叶轮叶片振动的运动微分方程。
　　 (2)利用ANSYS有限元软件对叶轮叶片进行了模态分析，对前五阶固有频率进行有限元计算，同时得到叶轮叶片前五阶振型并详细分析了叶片振动的类型、变形和von Mises应力。利用ANSYS模态分析得到的前五阶固有频率，对叶轮叶片进行了共振特性分析，计算出叶轮共振转速。
　　 (3)对叶轮叶片在各种转速下的振动应变进行了研究，首先用ANSYS有限元软件计算了叶轮叶片上两位置在各种转速下的应变值，然后利用电阻应变片测量两位置的振动应变值。将振动应变的实验结果与有限元计算的结果进行了对比分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1论文研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3论文的研究内容及结构安排

第2章 叶轮叶片结构及振动模态分析

2.1叶轮叶片的结构

2.1.1叶型的主要几何参数

2.1.2叶根部分

2.2叶轮叶片振动模态分析理论基础

2.2.1叶轮叶片振动的基本形式

2.2.2叶轮叶片振动的基本物理参数

2.2.3模态及模态分析介绍

2.3叶轮叶片的振型

2.4叶片振动固有频率的计算

2.5叶轮叶片的共振特性分析

2.5.1激振力及其谐波分析

2.5.2共振分析

2.6本章小结

第3章 基于ANSYS的叶轮叶片振动模态分析

3.1叶轮叶片振动的有限元计算法

3.1.1有限元方法的基本原理

3.1.2有限元方法的基本步骤

3.1.3叶轮叶片振动的有限元计算法

3.1.4基于ANSYS软件的有限元分析简介

3.2叶轮叶片三维有限元模型的建立

3.2.1研究对象

3.2.2叶轮叶片Solidworks三维实体模型的建立

3.2.3 SolidWorks模型导入到ANSYS

3.3叶轮叶片振动模态分析

3.3.1 ANSYS模态分析方法

3.3.2有限元网格划分

3.3.3材料特性设置

3.3.4边界条件

3.3.5选择模态分析类型和分析选项

3.3.6求解和查看模态分析结果

3.4叶轮叶片在一定转速下振动应变的有限元分析

3.5本章小结

第4章 叶轮叶片振动应变的实验研究

4.1电阻应变片应变测试技术概述

4.2旋转机械实验平台

4.3基于应变片的叶轮叶片振动应变测试的实验设计

4.3.1实验设备

4.3.2应变片测点布置

4.3.3主要问题及解决方案

4.4实验结果及其分析

4.5本章小结

第5章 结论与展望

5.1工作总结

5.2展望

参考文献

致 谢

附 录