一种航空涡轮发动机叶片颤振边界的模拟方法

摘要

本发明公开了一种航空涡轮发动机叶片颤振边界的模拟方法，该方法基于能量法原理，采用弱耦合的方法，设计了一套颤振预测方法，通过气动阻尼值得到发动机叶片的颤振边界。该方法首先建立叶片的实体模型，然后对叶片进行模态分析，接着建立叶片的流场模型，获得线性插值叶片的振动位移，采用多层动网格化处理生成流场分析需要的网格文件，调用动网格模块获得流场中各参数，之后获得每个工况下的气动阻尼，最后获得颤振边界。本发明方法基于单向弱耦合，大大简化了计算，节约计算成本，可以实现任意频率和不同流场状态下的气动阻尼计算，具有良好的工程应用性。

主权项

1、一种航空涡轮发动机叶片颤振边界的模拟方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：建立叶片的实体模型；建立需要分析的发动机风扇叶片的三维实体模型；步骤二：对叶片进行模态分析；首先，将已建立的发动机风扇叶片的三维实体模型导入有限元分析工具ANSYS中，并对其进行有限元单元划分，定义材料和单元属性，加上载荷和约束条件；然后，利用有限元分析工具ANSYS中的动模态分析获得叶片的固有模态，提取流场分析所需要的频率和模态，导出叶片表面的计算结构动力学CSD有限元网格节点信息，得到CSD节点；步骤三：建立叶片的流场模型；首先，将已建立的发动机风扇叶片的三维实体模型导入流体动力学仿真工具CFX中，建立发动机叶片单通道流场模型，划分流体网格；然后，将叶片表面的流体网格节点和单元信息导出，得到计算流体动力学CFD节点；步骤四：获得线性插值叶片的振动位移；采用三维线性插值方法，将叶片表面CSD节点上的第阶振动模态插值到叶片表面的CFD节点上，作为叶片表面所有CFD节点在流场中的振动位移，其中P为正整数，且P∈[1，10]；小范围选点插值能够保证处理速度，引入面积控制因子保证插值的精度；步骤五：多层动网格化处理生成流场分析需要的网格文件；采用多层动网格方法，将叶片表面各个CFD节点的振动位移按各层初始的距离比例，分配到叶片周围M层O型网格区域对应的节点上，由叶片表面向外法向递减，第M层位移为零，最后生成各时刻流场所有节点的网格文件；所述多层动网格方法适用于1～M层，其中M为流场模型中的O型网格的层数；步骤六：调用动网格模块获得流场中各参数；流场分析通过流体动力学仿真工具CFX实现；首先，在步骤三建立的流场模型中加载边界条件和初始条件；通道入口给定静温和总压，出口给定静压，循环对称面给定交界面边界条件，叶片表面给定运动网格边界条件；以不加运动网格的定常场作为初始条件；然后，叶片按照第P阶固有模态振动，其运动周期为频率的倒数，每个时间步间隔相同的时间，在每一个时间步上求解N-S方程；最后，输出结果设置成每一个时间步输出气动力和对应的节点位移信息；其中时间步是指叶片一个运动周期的N分之一，N是用户设定的叶片一个周期运动的时间步数，实际应用中为了保证模拟效率，取N为正整数，且N∈[30，80]；步骤七：获得每个工况下的气动阻尼；根据每个时间步叶片表面的气动功和节点位移，按照能量法的概念推导出的等效模态阻尼公式来获得叶片一个振动周期内的气动功和等效模态气动阻尼系数；其中气动功是按照各节点在各时间步上做的功积分获得，积分区间为一个振动周期，积分域为叶片表面；其中能量法的概念是指根据叶片在一个振动周期内，从外界所得到的能量的正负来判别颤振发作与否，当从外界所得到的能量为正时，则颤振发作；当从外界所得到的能量为负时，则颤振不发作；按照能量法的概念推导出的等效模态阻尼公式是${\xi }_i=-\frac{W_{\mathrm{cfd}}}{2\pi q_{i0}^2{\omega }_i^2},$其中W_cfd为第i阶模态下状态空间坐标系中非定常气动力做的功，q_i0为第i阶模态的振幅，ω_i为叶片振动的第i阶固有频率；步骤八：获得颤振边界；获得不同工作状况下的等效模态气动阻尼，获得工作域中等效模态气动阻尼的分布，确定阻尼值为零的等值线为颤振边界。