[发明专利]一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法

说明书

本发明公开了一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法；首先，采用非线性谐波法对叶片流道内的流场进行非定常分析，得到叶片表面的非定常载荷分布，采用傅里叶变换提取关键频率所对应的载荷，获得叶片所受气动激振力；然后，对叶片及其流道内的流场进行流固耦合分析，分析叶片振动时气动力对叶片所做的气动功，根据能量等效原理获得叶片在流场中振动的各阶模态气动阻尼比；最后，将气动激振力与各阶模态气动阻尼比加载到叶片上，采用模态叠加法对叶片进行振动响应分析；该分析方法可以高效、准确地分析叶片在非定常气动力作用下的振动响应，为发动机的安全保障和设计工作提供支持。

技术领域

本发明涉及航空系统技术领域，主要涉及一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法。

背景技术

随着现代飞机的发展，人们对航空发动机有着更高的要求，一方面要求其推力大、推重比、高和耗油率低，另一方面要求其可靠性高、寿命长和重量轻等特点。目前各种新技术的使用，提高了压气机的增压比和效率，但使得压气机叶片表面气动载荷大大增加，叶片振动问题严重，进而引起叶片的高周疲劳失效(HCF)。叶片一旦发生断裂故障，断片可能将其它级叶片打坏甚至打穿机匣，从而严重损坏发动机，甚至造成飞行事故。

为了保证发动机的安全，需要在发动机设计之初对叶片的振动应力进行预估，因此，建立一套准确的叶片振动响应分析方法成为发动机设计工作的关键点之一。但是，发动机叶片的工作环境是复杂的非定常流场，分析叶片的振动响应是一个流固耦合问题，完整的求解固体和流体方程来计算叶片振动响应的精确解是一项计算量巨大、计算成本高昂的工作。将气体力对叶片的作用分解为激励作用和阻尼作用，分别分析叶片在流场中的气动激振力和气动阻尼，并在各个部分中考虑流固耦合的作用，同时保证了计算的精度。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法，将气体力对叶片的作用分解为激励作用和阻尼作用，分别分析叶片在流场中的气动激振力和气动阻尼，并在各个部分中考虑流固耦合的作用，同时保证了计算的精度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于流固耦合的叶片振动响应分析方法，包括气动激振力分析、气动阻尼分析以及叶片振动响应分析三个部分，具体包括以下步骤：

步骤S1、采用非线性谐波法对叶片流道内的流场进行非定常分析，获得叶片表面所受的非定常载荷，通过傅里叶变换对非定常结果进行频谱分析，根据不同频率对应的幅值，根据振幅从大到小顺序提取若干阶关键频率及其对应载荷来模拟原流场，通过流固耦合接口程序，获得叶片表面所受的气动激振力；

步骤S2、基于能量法和弱流固耦合分析法，对叶片以及其流道的流场进行流固耦合分析，对叶片进行模态分析，获得各阶固有频率与振型，编写动网格控制程序使得流体域内的叶型边界面以叶片的各阶固有模态形式做周期运动，通过气动阻尼积分计算程序，获得气动力对叶片所做的气动功，根据能量等效原理获得叶片的各阶模态气动阻尼比；

步骤S3、基于步骤S1获得的叶片表面的气动力激振力和步骤S2获得的叶片各阶模态气动阻尼比，采用模态叠加法对叶片进行振动响应分析。

进一步地，所述步骤S1中对叶片流道内流场进行非定常分析过程中，所述流场非定常分析的对象为整圈流道，流场进口输入条件包括轮盘转速、总温、总压边界条件，出口输入条件包括静压边界条件，并且进口总温、总压和出口静压边界条件都以特定的函数形式随时间变化。

进一步地，所述流场非定常分析采用的计算软件为NUMECA。

进一步地，所述步骤S1中所述的流固耦合接口程序，采用插值法将流场计算得到的气动激振力加载到固体叶片上。

进一步地，所述步骤S1中所述的流固耦合接口程序，采用MATLAB以及ANSYS APDL二次开发语言编写。