航空以及船舶的设施所使用的各种各样的发动机，如蜗扇发动机和船舶螺旋桨等，叶片都是其主要动力构件之一，在高温高压高转速工作状况下，叶片结构将主要承受离心力和气动力作用，同时高速气流中的杂质对叶片有磨损与撞击的作用，在各种复杂载荷的作用下比较容易发生失效，叶片发生故障将对整个机械系统造成巨大的经济损失，因此发动机叶片的强度是叶片设计的关键所在。常见的叶片故障现象有：叶片外表面磨损、叶片强度不足而破坏和在循环应力作用下叶片发生疲劳破坏，其中以疲劳损伤为主。85071
同时，在航空发动机在运作过程中将承受各种内外振动源的作用从而叶片很容易引起振动，在振动现象多次作用下将造成叶片表面产生疲劳裂纹而随着作用次数的增加裂纹逐渐加深从而破坏叶片结构，从而造成巨大的经济损失，因此如何避免发动机叶片在外载荷作用下发生振动现象以及在应力循环作用下的避免过早的疲劳破坏成了如今主要的研究方向。在应对叶片振动问题时，由弹性模量小且轻质材料制成的叶片在不稳定的气动力和高速旋转叶片产生的离心力共同作用下而引起的振动以及变形的问题是我们主要研究目标。根据前人的研究结果可知：叶片的模态动率在高转速以及外载荷共同作用下不可避免发生耦合作用即发生叶片振动频率转向和振型转移的现象，对叶片旋转时产生的耦合现象的研究，能够让我们更好的认识叶片振型和固有频率的特性，从而有利于叶片设计与使用时减少振动引起的故障。为了避免叶片的振动引起发动机失效许多专家对叶片振动进行了详细的分析研究。例如：赵书军[15]在他的硕士毕业论文中成功地运用数值求解Navier-Stokes方程解决了压气机转子叶在排跨音速的工况下非稳定粘性流动问题,并且通过有限元软件ANSYS对叶片进行了模态分析得出了叶片具体的振型和自振频率，并且运用数值计算计算出的气动振动源影响，对叶片共振问题深入研究。由田爱梅[25]等提出可靠的设计振动结构的方法,提出了激振力的频率干涉结构的固有频率的概率模型，并且通过使用Goodman曲线，推导出柔性结构在强迫共振情况下发生破坏的概率计算方程以及该方法的运用条件。欧阳德[14]等通过运用美国TOMG对航天飞行器叶片的疲劳寿命预测和振动现象的分析采用了概率故障树法，在共振转速图下研究叶片如何减小共振的影响，这些方法都有利于我们设计与使用叶片结构时避免叶片发生共振现象。王梅以及吕文林等人通过对第一排的静子叶片引发的尾流会引起第二排的转子叶片发生振动现象的研究，并且参考参数多项式方法以及振荡流体力学理论，得出结论静子叶片引起尾流场不稳定现象将会对后排的转子叶片产生重要影响引起后排叶片振动，并且前排叶片产生的不稳定流场气动而引起的压力场可以简化为结构动力学的压力场载荷，这种简化方法创造了在尾流激振作用下叶片振动应力应变估计的半经验方法。张瑞琴等运用ANSYS软件进行结构力学计算，利用CFX模块对流场进行计算，两个模块之间交换两者的流场载荷和结构在载荷作用下的变形位移量，实现了结构的流固耦合计算。为了证明流速度和攻角对叶片稳定性的影响，对叶片进行不同流速度及攻角的叶片结构及流场的耦合计算，结果显示颤振频率与叶片低阶固有频率一致，证明其影响的重要性。发动机叶片处在高转速状态，且其往往采用是轻柔型的材质，在进行结构设计与动力学仿真分析时，需要考虑叶片大范围运动与叶片变形之间的相互耦合作用，根据郑彤,章定国,廖连芳[23]等的论文中提出叶片高速旋转下离心力容易引起柔性体发生动力刚化即当柔性体作高速旋转运动时在离心力作用下将提高刚度，从而改变其振动幅度与频率。同时柔性变形也会影响大范围运动，使其产生附加运动，影响系统效率。 (责任编辑：qin) |