[发明专利]基于梁弯曲理论的叶盘扇区间刚度评估方法

说明书

本发明公开了一种基于梁弯曲理论的叶盘扇区间刚度评估方法，属于叶轮机械叶盘结构设计技术领域，所述方法包括：根据真实叶片三维几何模型，划分叶片网格模型并计算模态频率，同时提取真实轮盘三维几何模型的特征参数，建立简化的轮盘参数模型，并构建原始叶盘集总参数模型；结合梁弯曲理论计算得到不同模态振型的各个扇区之间轴向等效连接刚度；对原始叶盘集总参数模型的扇区间连接刚度进行更新，计算得到新刚度下的叶盘模态频率和振型，并重新基于梁弯曲理论计算得到新的等效刚度值，并与上一步结果对比。本发明在保证集总参数模型原有计算效率的前提下，提高了叶盘模态频率和振型的计算精度，为叶盘模态特性分析提供了一个新途径。

技术领域

本发明涉及叶轮机械叶盘结构设计技术领域，特别是指一种基于梁弯曲理论的叶盘扇区间刚度评估方法。

背景技术

航空发动机常被誉为“工业之花”、“皇冠上的明珠”。其所涉及的技术比较全面地涵盖了大部分工业领域，其发展水平是一个国家综合国力的体现，而高负荷、高效率的叶轮机械设计是航空发动机发展的关键技术。

叶盘结构作为航空发动机的重要部件，其重要性不仅体现在对整机性能的影响很大，还在于其所处的工作环境十分恶劣，受到离心载荷、气动载荷以及振动的交变载荷等的作用，可能引起叶盘的强迫振动问题。尤其当激振频率与叶盘固有振动频率接近发生共振时，较大的振动应力会使得叶盘在较少的振动周期内发生疲劳失效，轻则产生裂纹，重则断裂，造成严重事故。据估计，在现代飞机燃气涡轮发动机的发展过程中遇到的问题约40％与高循环疲劳有关，大约占据了维修成本的5％。更重要的是，实际飞行中叶片这一类型的失效虽不多见，但一旦发生，会严重危害乘员与飞行器的安全。因此，为了保证高效且安全的运行要求，避免共振引起的叶盘疲劳失效问题，需要对其模态特性进行准确、高效的评估，在设计阶段规避潜在的共振问题。

目前分析叶盘结构模态特性的方法主要有：集总参数模型法、连续参数模型法和有限单元法。前两者均对原叶盘结构进行了较大幅度的简化，这也导致其计算结果与实际情况之间存在较大的误差。后者在网格数量足够的前提下能够较好的保证计算结果的精度，但网格划分过程和有限元计算过程需要耗费较多的时间成本和计算成本，不便于在设计阶段高效的提供数据参考。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于梁弯曲理论的叶盘扇区间刚度评估方法，它能针对不同的叶盘模态振型确定不同的等效连接刚度，提高基于集总参数模型计算叶盘结构模态特性的准确性。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种基于梁弯曲理论的叶盘扇区间刚度评估方法，包括：

步骤1：根据真实叶片三维几何模型划分叶片网格模型，计算叶片的一阶弯曲模态频率；

步骤2：提取真实轮盘三维几何模型的特征参数，建立简化的轮盘参数模型；

步骤3：基于简化的轮盘参数模型和叶片一阶弯曲模态频率，构建原始叶盘集总参数模型；

步骤4：基于原始叶盘集总参数模型计算叶盘的模态特性，包括模态频率和振型；

步骤5：基于梁弯曲理论和步骤4得到的模态振型，计算不同模态振型下各个扇区之间的轴向等效连接刚度；

步骤6：对原始叶盘集总参数模型的扇区间连接刚度进行更新，重复步骤4计算得到新的模态频率和振型，重复步骤5得到新的等效连接刚度值，并与上一步结果对比，若两次结果的差异小于所要求的量级，将当前的等效连接刚度值作为结果输出；否则，再次执行步骤6，直至结果满足要求。

进一步的，所述步骤1中，叶片的一阶弯曲模态频率采用有限元程序计算得到。

进一步的，所述步骤2中，特征参数包括叶片数N、轮盘平均厚度t、轮盘内径r和轮盘外径R。