轴流式压缩机叶片动态特性分析及其减振结构研究

摘要

叶片是轴流式压缩机中最重要的零件之一,压缩机运行时,叶片的动静态特性直接关系着整机的运行安全。本文以某企业设计、制造的某型号轴流式压缩机的一级动叶为研究对象,采用有限元分析法对其静力学、动力学特性进行了分析、研究,根据分析结果对叶片的几何结构进行了改进。针对叶片有限元建模过程中的几何模型建立、几何模型导入、网格划分等问题进行了研究,给出了一套行之有效的叶片有限元模型建立方法。该方法解决了由CAD模型导入有限元分析软件时的数据丢失问题,网格划分方法保证了高质量网格模型的建立。对叶片的约束方式进行了研究,确定了更加合理的约束方式。计算了叶片在不同工作载荷下的静态特性,得到了其应力分布和变形规律。结果表明叶片高应力区域位于榫齿及其圆弧过渡处,并且发现在这些位置存在严重的应力集中情况。通过模态分析、瞬态动力学的方法,分析了叶片的动频、动应力。动应力不但变化剧烈而且应力峰值较大,四个榫齿承受的动应力并不相等。本文研究的叶片的断裂位置与静力分析所求出的最大应力位置吻合,因此设法减小该位置的应力集中情况对于提高叶片的强度很关键。提出了两种结构修改方案,并对修改后的叶片进行了有限元静力学分析,对比了在关注位置的应力集中情况,结果表明,两种方案对榫齿及其圆弧过渡处的应力集中均有改善作用,第二种方案可以大幅降低应力集中。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 轴流式压缩机简介

1.2 课题的意义及研究现状

1.2.1 课题的研究意义

1.2.2 研究现状

1.3 课题的研究内容和论文结构

1.3.1 研究内容

1.3.2 章节安排

1.4 本章小结

2 有限元方法理论简介

2.1 弹性力学的控制方程和最小势能原理

2.2 有限元分析过程概述

2.3 有限元分析的基本流程

2.4 本章小结

3 叶片有限元模型的建立

3.1 叶片的几何模型的建立

3.1.1 叶片的结构

3.1.2 叶身数据

3.1.3 利用pro/e软件造型

3.2 叶片有限元模型的建立

3.2.1 几何模型导入ANSYS

3.2.2 网格模型导入ANSYS

3.3 有限元分析网格的划分

3.3.1 网格划分的原则

3.3.2 网格划分的思想和流程

3.3.3 叶片网格的划分

3.4 叶片有限元模型的建立

3.4.1 叶片的物性参数

3.4.2 边界条件

3.4.3 力载荷施加

3.5 本章小结

4 叶片的静态分析

4.1 叶片的边界约束合理性分析

4.1.1 情况1下的约束分析

4.1.2 情况2下的约束分析

4.1.3 对比分析及结论

4.2 基于有限元法的叶片静态分析

4.2.1 不同载荷下的应力、位移场对比分析

4.2.2 静态分析的结论

4.3 本章小结

5 叶片的动态分析

5.1 叶片的模态分析

5.1.1 模态分析理论

5.1.2 叶片的静频和动频

5.2 叶片的动应力分析

5.2.1 瞬态动力学分析简介

5.2.2 阻尼和激振力的处理

5.2.3 计算结果分析

5.3 本章小结

6 叶片的结构改进

6.1 第一种结构修改方案

6.1.1 应力变化

6.1.2 位移变化

6.2 第二种结构修改方案

6.2.1 应力变化

6.2.2 位移变化

6.3 三个模型榫齿处的应力集中对比分析

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文