[發明專利]一種航空渦輪發動機葉片顫振邊界的模擬方法

無效

• 申請號: 200910089366.X
• 申請日: 2009-07-16
• 公開（公告）號: CN101599104A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發明（設計）人: 張瀟;張小偉;王延榮;王蛟;劉沛清
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T17/40
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所
• 代理人: 周長琪

1.一種航空渦輪發動機葉片顫振邊界的模擬方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

步驟一：建立葉片的實體模型；

建立需要分析的發動機風扇葉片的三維實體模型；

步驟二：對葉片進行模態分析；

首先，將已建立的發動機風扇葉片的三維實體模型導入有限元分析工具ANSYS中，并對其進行有限元單元劃分，定義材料和單元屬性，加上載荷和約束條件；

然后，利用有限元分析工具ANSYS中的動模態分析獲得葉片的固有模態，提取流場分析所需要的頻率和模態，導出葉片表面的計算結構動力學CSD有限元網格節點信息，得到CSD節點；

步驟三：建立葉片的流場模型；

首先，將已建立的發動機風扇葉片的三維實體模型導入流體動力學仿真工具CFX中，建立發動機葉片單通道流場模型，劃分流體網格；

然后，將葉片表面的流體網格節點和單元信息導出，得到計算流體動力學CFD節點；

步驟四：獲得線性插值葉片的振動位移；

采用三維線性插值方法，將葉片表面CSD節點上的第P階振動模態插值到葉片表面的CFD節點上，作為葉片表面所有CFD節點在流場中的振動位移，其中P為正整數，且P∈[1，10]；小范圍選點插值能夠保證處理速度，引入面積控制因子保證插值的精度；

步驟五：多層動網格化處理生成流場分析需要的網格文件；

采用多層動網格方法，將葉片表面各個CFD節點的振動位移按各層初始的距離比例，分配到葉片周圍M層O型網格區域對應的節點上，由葉片表面向外法向遞減，第M層位移為零，最后生成各時刻流場所有節點的網格文件；

所述多層動網格方法適用于1～M層，其中M為流場模型中的O型網格的層數；

步驟六：調用動網格模塊獲得流場中各參數；

流場分析通過流體動力學仿真工具CFX實現；

首先，在步驟三建立的流場模型中加載邊界條件和初始條件；通道入口給定靜溫和總壓，出口給定靜壓，循環對稱面給定交界面邊界條件，葉片表面給定運動網格邊界條件；以不加運動網格的定常場作為初始條件；

然后，葉片按照第P階固有模態振動，其運動周期為頻率的倒數，每個時間步間隔相同的時間，在每一個時間步上求解N-S方程；

最后，輸出結果設置成每一個時間步輸出氣動力和對應的節點位移信息；

其中時間步是指葉片一個運動周期的N分之一，N是用戶設定的葉片一個周期運動的時間步數，實際應用中為了保證模擬效率，取N為正整數，且N∈[30，80]；

步驟七：獲得每個工況下的氣動阻尼；

根據每個時間步葉片表面的氣動功和節點位移，按照能量法的概念推導出的等效模態阻尼公式來獲得葉片一個振動周期內的氣動功和等效模態氣動阻尼系數；

其中氣動功是按照各節點在各時間步上做的功積分獲得，積分區間為一個振動周期，積分域為葉片表面；

其中能量法的概念是指根據葉片在一個振動周期內，從外界所得到的能量的正負來判別顫振發作與否，當從外界所得到的能量為正時，則顫振發作；當從外界所得到的能量為負時，則顫振不發作；

按照能量法的概念推導出的等效模態阻尼公式是其中W_cfd為第i階模態下狀態空間坐標系中非定常氣動力做的功，q_i0為第i階模態的振幅，ω_i為葉片振動的第i階固有頻率；

步驟八：獲得顫振邊界；

獲得不同工作狀況下的等效模態氣動阻尼，獲得工作域中等效模態氣動阻尼的分布，確定阻尼值為零的等值線為顫振邊界。