渦輪葉片-盤振動(dòng)特性試驗(yàn)裝置強(qiáng)度分析

代承霖

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，可為飛行器提供動(dòng)力[1]。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是最常用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪葉片是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件，其主要功能是將高溫高壓的氣流吸進(jìn)燃燒室進(jìn)行燃燒[2]。為了保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性[3]和穩(wěn)定性[4]，需對(duì)渦輪葉片進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，通過特定的試驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)[5]，驗(yàn)證渦輪葉片-盤的振動(dòng)特性是否滿足設(shè)計(jì)使用要求。本文采用有限元分析對(duì)渦輪葉片-盤振動(dòng)特性試驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行強(qiáng)度校核[6]，驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)施對(duì)葉片動(dòng)力學(xué)固有特性無明顯影響。

2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

渦輪葉片-盤振動(dòng)特性試驗(yàn)裝置主要用于研究渦輪葉片在離心力作用下的振動(dòng)特性，可以給葉片施加模擬離心力，測(cè)試施加離心力后葉片的振動(dòng)特性。試驗(yàn)設(shè)施整體安裝情況如圖1所示，整個(gè)裝配體由缸體、過渡板、加載頭、頂塊(傳感器)、上壓蓋、下壓蓋、推力軸承、頂塊加載塊、套筒螺栓等組成，所有結(jié)構(gòu)均采用GH4169材料加工。

圖1 試驗(yàn)設(shè)施安裝圖

整個(gè)設(shè)施的坐標(biāo)系如圖1所示，安裝平面為YOZ平面，加載頭運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閆向，垂直向上為X軸負(fù)方向。在工作狀態(tài)時(shí)，由套筒螺栓施加沿Z軸正方向的推力，經(jīng)推力軸承將載荷傳遞至加載頭，再由加載頭通過5個(gè)傳感器頂塊將載荷分配到5個(gè)葉片的根部，模擬離心力產(chǎn)生的作用力。葉片安裝在缸體主結(jié)構(gòu)的榫槽內(nèi)，并由上下壓蓋限制葉片X方向的位移。

3 有限元建模

3.1 模型概況

針對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，采用全體元進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)格剖分，坐標(biāo)系與裝配體CAD模型一致。除缸體榫頭連接的局部采用四面體網(wǎng)格外，其他結(jié)構(gòu)均采用結(jié)構(gòu)化的六面體和五面體網(wǎng)格，有限元模型如圖2所示，各部分結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)和單元個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。試驗(yàn)設(shè)施主要結(jié)構(gòu)材料均為GH4169，材料性能見表2。葉根部假件材料為葉片真實(shí)材料DD6，材料屬性見表3。

圖2 試驗(yàn)設(shè)施有限元模型

表1 各部件網(wǎng)格規(guī)模

表2 GH4169材料性能

表3 DD6材料性能

3.2 單位制

有限元模型中采用的單位量綱采用國際單位制單位。

3.3 約束及載荷

選擇單個(gè)1級(jí)葉片最大離心力載荷113170N作為分析載荷。試驗(yàn)設(shè)施通過擰緊螺栓施加載荷，經(jīng)推力軸承將載荷傳遞至加載塊的圓環(huán)面上。在靜力分析中定義的載荷為施加在加載塊圓環(huán)面上的均布載荷，沿Z軸正方向，大小為600000N。在過渡板的底面和缸體后端面整體施加固支約束。在加載頭、頂塊、葉片根部假件、缸體榫槽之間，都定義為Tie約束。

靜力載荷的傳力路徑如圖3所示，均布載荷作用于頂塊加載塊的圓環(huán)表面，頂塊加載塊通過接觸面將載荷傳遞到加載頭，加載頭通過頂塊將載荷分配到5個(gè)葉片根部。

圖3 傳力路徑

4 有限元分析結(jié)果

使用上述有限元模型對(duì)試驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行非線性靜力分析和動(dòng)力學(xué)固有特性分析，以獲得試驗(yàn)設(shè)施在工作狀態(tài)下的靜強(qiáng)度指標(biāo)和模態(tài)指標(biāo)。

4.1 靜力分析

經(jīng)過靜力分析，試驗(yàn)設(shè)施結(jié)構(gòu)應(yīng)力高的部位主要集中在榫槽和頂塊部分。缸體(包括榫槽)的應(yīng)力分布情況如圖4所示。缸體(包括榫槽)上的最大應(yīng)力為1044MPa，未超出GH4169材料的屈服極限1170MPa，認(rèn)為缸體滿足靜強(qiáng)度要求。

圖4 缸體(包括榫槽)的應(yīng)力分布

將頂塊沿Y軸正方向依次編號(hào)為1、2、3、4、5，頂塊應(yīng)力分布如圖5所示?？梢钥闯?，5個(gè)頂塊上的應(yīng)力分布不太均勻，1、5頂塊的應(yīng)力相對(duì)較大。頂塊的應(yīng)力在X方向上的分布也不均勻，整體呈下大上小。頂塊的最大Von Mises應(yīng)力為1319MPa，超出GH4169材料的屈服極限1170MPa，超過屈服強(qiáng)度的單元數(shù)量?jī)H有7個(gè)，且頂塊上的最大應(yīng)力未超出GH4169材料的破壞極限1360MPa，這7個(gè)單元進(jìn)入到塑性階段，不會(huì)發(fā)生破壞，可認(rèn)為頂塊滿足靜強(qiáng)度要求。

圖5 頂塊的應(yīng)力分布

通過提取每個(gè)頂塊中間截面所有單元的Von Mises應(yīng)力，然后計(jì)算每個(gè)頂塊截面受到的總的壓縮載荷，并按照頂塊3的載荷進(jìn)行歸一化，得到5個(gè)頂塊的載荷分布，如表4所示。5個(gè)頂塊的載荷呈現(xiàn)兩邊大中間小的分布趨勢(shì)。

表4 頂塊載荷分布情況

分析加載結(jié)構(gòu)可知，載荷經(jīng)加載頭傳遞至5個(gè)頂塊，然后分別加載到5個(gè)葉片根部。加載結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，超靜定結(jié)構(gòu)的載荷是按照約束剛度分配的。試驗(yàn)設(shè)施中5個(gè)葉片通過榫槽約束，兩邊榫槽的外邊處于自由邊界，其約束剛度大于中間榫槽的約束剛度，因此出現(xiàn)了5個(gè)頂塊的載荷兩邊大中間小的計(jì)算結(jié)果。

在600000N總載荷作用下，缸體和頂塊只有個(gè)別節(jié)點(diǎn)應(yīng)力超過1170MPa，頂塊上最大應(yīng)力未超出GH4169材料的破壞極限1360MPa，認(rèn)為缸體和頂塊滿足靜強(qiáng)度要求。

4.2 加載螺紋強(qiáng)度校核

為考慮試驗(yàn)設(shè)施加載螺紋處的強(qiáng)度，對(duì)加載螺紋處進(jìn)行建模。套筒兩處螺紋，缸體一處內(nèi)螺紋。套筒安裝在缸體內(nèi)，兩部件通過螺紋連接。缸體、套筒所用材料均為GH4169，預(yù)緊力螺栓材料為30CrMnSi。需計(jì)算1處加載Y向56×104N載荷時(shí)，對(duì)兩處螺紋進(jìn)行靜強(qiáng)度校核；整個(gè)夾具系統(tǒng)共振頻率避開試驗(yàn)件共振頻率，即保證螺栓在振動(dòng)過程中不能脫落。

4.2.1 加載螺紋靜強(qiáng)度校核結(jié)果

當(dāng)預(yù)緊力螺栓受到560000N的力時(shí)，螺栓、套筒、缸體3個(gè)部件螺紋處的等效應(yīng)力分別如圖6-圖8所示。GH4169的破壞極限為1360MPa，30CrMnSi的屈服極限為1080MPa，從圖中可以看出，設(shè)計(jì)的螺紋夾具部件滿足靜強(qiáng)度的要求。

圖6 螺栓等效應(yīng)力分布圖

圖7 套筒等效應(yīng)力分布圖

圖8 缸體等效應(yīng)力分布圖

4.2.2 加載螺紋動(dòng)強(qiáng)度校核結(jié)果

經(jīng)模態(tài)分析，整個(gè)夾具系統(tǒng)固有頻率如圖9所示。

圖9 夾具系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果

通過試驗(yàn)測(cè)試，葉片試驗(yàn)件共振頻率為3800Hz左右。通過對(duì)夾具系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析得知，整個(gè)夾具系統(tǒng)可以避開試驗(yàn)件共振頻率達(dá)400Hz以上，故在試驗(yàn)過程中不會(huì)發(fā)生共振，即不會(huì)導(dǎo)致螺栓脫落情況發(fā)生。

4.3 試驗(yàn)設(shè)施動(dòng)力學(xué)固有特性分析

為考慮試驗(yàn)設(shè)施對(duì)葉片動(dòng)力學(xué)固有特性的影響，將試驗(yàn)設(shè)施與中間一個(gè)葉片的模型進(jìn)行整體動(dòng)力學(xué)固有特性分析，葉片模型如圖10所示，采用葉片真實(shí)結(jié)構(gòu)，保留全部細(xì)節(jié)。用四面體二次單元對(duì)葉片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，葉片上共有244029個(gè)節(jié)點(diǎn)，152641個(gè)單元。葉片材料為DD6，材料屬性見表3。

圖10 葉片的有限元模型

通過分析得到組合結(jié)構(gòu)有限元模型的固有頻率，如表5所示。組合結(jié)構(gòu)的第10階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型如圖11所示，其中反映出葉片固有特性的為第10階固有頻率3044.0Hz(葉片一彎)，與葉片已知的第1階固有頻率3026.9Hz相吻合，所以試驗(yàn)設(shè)施對(duì)葉片動(dòng)力學(xué)固有特性的影響很小。

表5 組合結(jié)構(gòu)固有頻率計(jì)算結(jié)果

圖11 組合結(jié)構(gòu)的第10階振型

4.4 頻率響應(yīng)分析

針對(duì)帶葉片的試驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，在過渡板與底座連接面上施加X方向大小為20g的基礎(chǔ)正弦加速度激勵(lì)，結(jié)構(gòu)阻尼設(shè)定為0.005，位移最大值出現(xiàn)在葉片尾緣處，位移值為0.0086mm。葉片尾緣處位移隨頻率變化曲線如圖12所示。由于引入了阻尼，試驗(yàn)設(shè)施在頻率3030Hz時(shí)葉片尾緣處位移達(dá)到了峰值。

圖12 葉片尾緣位移隨頻率變化曲線

葉片的應(yīng)力響應(yīng)如圖13所示。最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉根榫頭位置，大小為14MPa，葉身上的最大應(yīng)力為5MPa，位于葉片前緣根部處?？梢钥闯觯~片的固有振型能夠在試驗(yàn)中被振動(dòng)臺(tái)激起，試驗(yàn)設(shè)施不會(huì)影響葉片振動(dòng)特性的測(cè)試。

圖13 葉片的應(yīng)力響應(yīng)云圖

5 結(jié) 論

本文對(duì)1級(jí)渦輪葉片-盤試驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行了有限元分析，對(duì)其進(jìn)行了靜力分析、動(dòng)力學(xué)固有特性分析和頻率響應(yīng)分析，根據(jù)分析結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1)在靜載作用下，缸體榫槽、頂塊和加載螺紋滿足靜強(qiáng)度要求；

(2)在靜載作用下，頂塊1、2、3、4、5上分配的載荷分別為145100N、112700N、104400N、108500N、135900N，載荷分布呈現(xiàn)兩邊大中間小；

(3)帶葉片結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)固有特性分析結(jié)果表明，試驗(yàn)設(shè)施的模態(tài)頻率與葉片的模態(tài)頻率無耦合；

(4)頻率響應(yīng)分析結(jié)果表明，葉片的固有振型能夠在試驗(yàn)中被振動(dòng)臺(tái)激起，試驗(yàn)設(shè)施不會(huì)影響葉片振動(dòng)特性的測(cè)試。