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旋转机械叶轮振动分析

一、课题来源及意义

随着振动理论及其相关学科的发展，人们逐渐认识到依靠振动理论进行结构 设计的重要性。如旋转机械的振动，车辆、船舶等交通工具的振动，武器在发射 状态下的振动等等，都是在外部激励或自身动力下运动的。振动特性分析在结构 设计和评价中具有极其重要的位置，振动分析非常重要。叶片作为发动机做工的 零件，其耐用性和可靠性显得尤为重要。本课题采用有限元分析方法，此方法主 要运用于汽车到航天飞机几乎所有的设计制造，在机械制造、材料加工等各个领 域也获得广泛使用。该法将叶轮整体进行离散化,  形成有限元计算模型。由于叶 轮结构的复杂性,  离散得到的叶轮有限元模型,  节点多,  单元多,  结构的刚度矩 阵和质量矩阵阶数高,  计算时输入的信息多,  计算用的机时长,  易出现误差。为 了取得精确的预测结果，要对叶轮的有限元模型进行多次仿真，计算量很大，因 此需要使用基于循环对称结构的缩减模型来减少计算时间。在设计阶段，为了保 证叶片的可靠性需要重点考虑的是叶轮固有频率要避开激励源的频率，以免发生 共振破坏。为了保证叶片能满足校核范围，在开始时就首先需要建立三维模型， 通过有限元计算得出叶片固有频率理论值，若有任何问题，需修改叶片参数，直 到演算通过。

本课题主要利用有限元分析软件完成旋转机械叶轮振动分析，包括旋转叶轮 模型的建立，运用软件分析旋转叶轮的固有特性，并完成对结果的分析和总结。 利用有限元分析软件来对机械叶轮在面对不同的压力作用下分析叶轮的受力，以 及对叶轮进行强度分析，通过对不同的结果进行比对，得到叶轮在不同载荷下的 应力变形，校核叶轮的力学性能，避免其疲劳破坏。为压气机，压缩机等一系列 需要叶轮的机械装置的开发设计提供参考，实现较好的经济和社会效应。

二、国内外发展现状

70  年代中期 IUTAM  的一次专业会议后，叶轮机械的空气弹性力学作为一个全新的、独立的学科正式确立。计算机技术的高速发展及其容量和速度的大幅 度提高，为专家、学者研究叶轮机械特性提供了客观条件。

陈江龙等研究了汽轮机叶片有限元模态分析的边界条件处理方法分析了各 种边界条件对叶片自振频率的影响，提出了弹性模拟叶片边界约束的计算模型， 为叶片模态有限元数值计算及故障分析提供了理论基础。

史进渊提出了对汽轮机叶片可靠性设计方法，给出了叶片疲劳强度的动应力 设计法和安全倍率设计法以及第一种调频叶片、第二种调频叶片和整圈连接叶片 组的振动可靠性设计的计算公式和一些应用实例。在设计阶段确定汽轮机叶片设 计的可靠度为汽轮机叶片的可靠性设计提供了科学的依据。

孙红岩通过有限元软件计算了某祸轮增压器转子轴承系统的固有频率和临 界转速，得到了固有频率和相应的阵型图，从而使实际的工作转速和临界转速远 离避免共振现象的发生。通过计算仿真数据，为实际试验提供了参考和理论依据。

王正提出了一种涡轮增压器压气机叶轮叶片振动疲劳可靠寿命的评价方法。 通过研究车用涡轮增压器在不同工作状态和运行工况的性能，确定了压气机叶轮 叶片振动疲劳失效危险位置，并试验分析了压气机叶轮振动疲劳危险位置的应力 参数和疲劳强度。以压气机叶轮叶片振动疲劳寿命的概率分布特征为基础，预估 了压气机叶轮叶片的振动疲劳寿命。同时对涡轮增压器传统的安全系数法设计准 则进行研究，提出了新的评价方法。结合涡轮结构特征和超速破坏失效特点，建 立了融合结构特征、寿命指标、强度、应力等参数的涡轮超速破坏失效计算模型。 以某车用增压器为例，通过试验测试，验证计算模型的准确性。

西安交通大学成立于 1952 年西安交通大学叶轮机械研究所，专门针对叶轮振动进行了一系列的研究，例如：叶轮机械气动热力学及现代优化设计；叶轮机械两相流动与控制技术；叶轮机械结构强度与转子动力学；叶轮机械自动控制与 故障诊断技术；微型燃气轮机及分布式供能系统；流体激振和复杂绕流机理及其 测试技术；新型动力循环关键技术；燃气轮机透平热流固耦合分析技术；风力透平技术和生物力学技术。创办以来，叶轮机械研究所已成为我国培养热力叶轮机 械高级专门人才的重要基地之一。

关于叶轮振动国外也进行了一系列深刻的研究。Yanrong Wang 等研究了有意失谐对压气机转子叶片气弹稳定性的影响，分 析了4种有意失谐形式对随机失谐的敏感性。使用有意失谐方案后，实际中的强 迫振动仍然会很大程度地受到额外随机失谐的影响，因此采用有意失谐必须解决 的核心问题是如何在设计中减低叶轮对随机失谐的敏感性。而关于如何降低叶轮对有意失谐过程中随机失谐敏感性的研究甚少，本研究对给定的涡轮增压器涡轮叶轮使用有意失谐方案以减少其强迫振动幅度以及随机失谐敏感性，这对改进现 有的叶轮设计方案，减轻高周疲劳问题至关重要。

Tom Heuer  等针对柴油机涡轮，结合 CFD 、FEA 和试验分析方法，研究了 涡轮的温度与应力。在涡轮上安装热电偶，为仿真提供边界条件和数据验证。基 于两种不同工况探究涡轮稳态耦合传热，分别仿真分析这两种工况下涡轮瞬态传 热过程，得到了涡轮温度、热应力分布。对涡轮进行热- 固耦合，分析了热应力对涡轮整体应力的影响。

Igor Makarenko  等针对怠速和满载工况下柴油机增压器压气机叶轮传热进 行研究。通过对不同工况下压气机叶轮进行有限元分析，得出了叶轮相应工况下 的瞬态传热系数与温度分布，并针对进口温度进行了深入的对比分析。

Borer 对高压比的离心压气机进行了静压和叶轮应力的耦合研究，在非设计 工况下，过高的应力载荷在周向非对称结构的影响下交替作用在叶轮前缘，这些 也是叶轮失效的主要原因。对于高压比的离心压气机而言，这种交变的应力载荷 和静压分布更加复杂，使得压气机过早的进入失速状态，增加转子动力的负荷， 很容易造成叶轮发生故障和损坏。基于叶轮强度和振动特性研究，国外采用了局 部应力应变疲劳分析法，对增压器压叶轮进行疲劳寿命在线预估。德国博格华纳 公司对压气机离线寿命预测和在线寿命预测作了很深入的比较分析，并将在线寿 命预测系统进行模型简化，加入闭合回路进行反馈控制。一旦瞬时损伤率大于设 定值，控制器立即工作，通过降低最大增压压力或者降低最大转速来延长叶轮寿 命。

三、研究目标

本课题旨在吸收同类型设备先进技术，结合国内的实际情况。通过有限元建

模，分析叶轮的固有振动特性，并分析在外界激励作用下的响应分析，为叶轮机 械的安全使用提供理论指导。

四、研究内容

本课题主要利用有限元分析软件完成旋转机械叶轮振动分析，包括：

1.   旋转叶轮模型的建立；

2.   运用软件分析旋转叶轮的固有特性；

3.   旋转叶轮的固有振动模态及频率并做相应的分析；

4.   在外界激励作用下响应分析。

五、研究方法与手段

主要通过查阅叶轮振动有限元分析相关资料，检索大量相关文献，学习有限 元分析设计。综合运用力学、工程图学、机械原理与机械设计等所学课程，在查 阅相关资料的基础上，了解旋转叶轮的工作原理，同时熟悉有限元分析软件的功 能，掌握运用软件解决工程实际问题的方法，并利用 WPS 或 WORD 完成毕业 论文的撰写。

六、进度安排

1查阅资料，了解叶轮装备的研究现状及工作原理，完 成开题报告;
2 完成旋转叶轮模型的建立及结构规划，运用软件分析 旋转叶轮的固有特性；
3给出旋转叶轮的固有振动模态及频率并做相应的分 析;
4 给出旋转叶轮的受外界激励后振动模态及频率并做相 应的分析;
5 撰写设计说明书。
6整理完善论文、图纸、翻译等全部资料，准备答辩。

摘要

随着振动学理论及其相关学科的飞速发展，同时将这些学科运用到广泛的生 活中，使得人们逐渐认识到依靠振动理论进行结构设计的重要性。叶片作为发动 机等核心做工的零件，其耐用性和可靠性显得尤为重要。本课题采用有限元分析 方法，此方法主要运用于汽车到航天飞机几乎所有的设计制造，在机械制造、材 料加工等各个领域也获得广泛使用。在实际的日常运作过程中，应该使叶轮能够 长期的工作在非共振的良好环境中。所以，进行叶轮的振动模态分析是十分必要 的。通过分析得到叶轮的固有特征频率，进而避免叶轮的固有特征频率和受到外 界刺激下的频率相同或相近及避免共频振动现象的发生。

为研究叶轮的振动特性，本论文针对叶轮的固有振动特性和受到外界影响振 动下的叶轮特性进行模拟实验和分析研究，并对其关键因素进行了不同情况下的 讨论。首先通过 COMSOL 软件建立叶轮模型，在分析固有特征频率下将叶轮分 为整体研究和单区域研究，其次，分析受迫振动下叶轮的特性也通过同样的方法 对其进行研究。对比双方的研究结果可以得出：基于一个扇区的计算结果与完整 几何结构的计算结果高度吻合，但前者明显缩短了计算时间，并降低了内存需求。

关键词：叶轮叶片；有限元分析；固有频率

 

目 录

第一章  绪论 1

1.1  背景及意义 1

1.2  研究现状 2

第二章  叶轮叶片振动模态分析理论基础 5

2.1  叶轮叶片振动的基本形式 5

2.2  模态及模态分析介绍 5

2.3  叶轮叶片振动的基本物理参数 7

2.4  叶轮叶片的振型 8

2.5  叶轮叶片的共振特性分析 10

2.6  叶轮振动的固有频率 10

第三章  数值模型和计算结果分析 13

3.1  对叶轮整体分析 13

3.2  对叶轮单区域分析 15

第四章  叶轮受迫振动分析 19

4.1  整体叶轮受迫振动 19

4.2  单个区域叶轮受迫振动 20

第五章  关键因素分析结果 23

5.1  载荷因素变化 23

5.2  叶片数量因素变化 26

第六章 结论 30

参考文献 31

附录 33

外文资料

中文译文

致谢

 

结论

本论文首先对选题背景、研究叶轮振动的主要内容、研究叶轮分析的意义、 国外的研究现状、国内的研究现状进行了阐述。在此基础上，对桨叶的振动进行 了基本的分析，并对其基本的物理参数、振动类型进行了研究。与此同时的基础 上，对叶轮的振动模式进行了研究，并对其进行了叶轮叶片发生共振特性的解析， 导出了其自固有振动频率的计算公式。最后对叶轮的振动特性进行了分析，从两 个方面进行了分析，分别研究叶轮的固有特征频率以及在受迫振动下的特征频率。 将叶轮分为整体和局部两个模式分析，得到叶轮的特征频率，研究分析得出单区 域叶轮在“循环对称”条件的振动特性和整体叶轮振动特性相同，并且单个区域 所耗费的时间以及研究内容更为精简，数据更为直观，所耗内存更少，更便于研 究叶轮的特性。

本文采用 COMSOL 软件对叶轮叶片的振型进行了研究，首先介绍了叶轮叶 片振动的有限元计算分析方法，包括有限元分析方案的基本常识、基础理论、常 规步骤等等。依据振动科目学理论出发，导出了叶轮动态分析的基本公式。在 COMSOL 中，利用 impeller 文档的形式引入了叶轮的叶轮模型。在建立了有限 元建模后，进行了网格划分，材料特性和边界条件的确定。通过对叶轮的模态特 性进行了研究，得出了叶轮 在自振和受迫振动情况下的偏转，并对全叶轮和单 个区域的叶轮进行了较详尽的研究。最后，将两种情形的相似特征进行了比较， 两种不同的分析方式得到的研究结果相同，以单个区域为基础的计算与完全几何 模型的振动情况具有很好的一致性，但是，相较于整体分析叶轮，单区域叶轮分 析的优越性更为明显：使用此分析方法可以最大程度上减少计算时间和运行内存， 分析效率将会有显著的提升。

文章的结尾部分，第一针对叶片的自振和受迫振动的情况，通过对叶片的自 振和受到外界影响的振动变形进行了分析。第二通过改变叶轮叶片的数量，同样 是分析整体叶轮的相同条件下，得出叶轮在低频和高频的振动下的响应。当然， 也可以通过其他方式进行改进，比如叶片的外形、厚度的变化，这些都有待于更 深入的研究。

对叶片的振动特征进行了分析与优选，对实际应用中的应用和其他叶片转动 构件的振动问题也有一定的借鉴作用。

 

参考文献

[ 1]  王素景，离心式压缩机叶轮的随机振动分析[D].  大连理工大学，2013

[2]  曹海兰,李阳,乔世强.离心通风机叶轮应力与振动分析[J]. 内燃机与配件,2020( 11):76-78.

[3]  金钊.  离心式固液两相流泵叶轮的振动特性分析[D].辽宁工程技术大学,2014.

[4]  朱凤梅，大型离心风机流固耦合及叶轮振动特性分析[D].  江苏科技大学，2013

[5]  许本文，焦群英.机械振动与模态分析基础[M].北京:机械工业出版社，1998: 4-57

[6]  梁守方,  基于流固祸合的电站轴流风机叶轮动力特性研究[D].  华北电力大学，2014

[7]  肖遥，真空抽吸叶轮的振动特性分析与优化设计[D].  武汉理工大学，2018

[8]  文安健，压气机转子叶片激振力与振动响应研究[D].  上海交通大学，2018

[9]  梁君，赵登峰.模态分析方法综述[J].现代制造工程，2006(08):139- 141.

[ 10]  林茂武，李凯华，于百芳.轴流压缩机动叶片模态分析方法研究[J].农业装备与车辆工程， 2013 51(08):56-58.

[ 11]  张大义，陈璐璐，洪杰.离心叶轮与轴流叶轮振动特性的对比分析[J]. 战术导弹技术， 2006 ( 1): 22-26.

[ 12]  杨建.  基于 ANSYS 的离心压气机叶轮振动特性分析[D].大连理工大学,2011.

[ 13]  KANEKO  Yasutomo,NAKANISHI  Ryota,MORI  Kazushi,OHYAMA  Hiroharu.  Study  on Vibration Characteristics of Mistuned Bladed Disk(Vibration Response Analysis by Reduced Model FMM)[J]. Journal of System Design and Dynamics,2013,7(4):271-284.

[ 14]  Salles  Loïc,Blanc  Laurent,Thouverez  Fabrice,Gouskov Alexander  M.,Jean  Pierrick.  Dual Time  Stepping Algorithms  With  the  High  Order  Harmonic  Balance  Method  for  Contact Interfaces   With    Fretting-Wear[J].   Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2012, 134(3):1-36.

[ 15]  姜世杰,张一晗,史银芳, 闻邦椿.离心压缩机叶轮振动特性实验研究与仿真分析[J].机械设 计与制造,2020(05):19-22.

[ 16]  谈明高,廉益超,吴贤芳,刘厚林. 叶轮时序对多级泵振动特性影响的试验测试[J].振动与冲 击,2020,39(03):1-7.

[ 17]  崔哲, 赵存生,魏云毅. 叶轮口环间隙对离心泵性能和振动影响的试验研究[J]. 流体机 械,2020,48(01):1-6.

[ 18]  龚波, 袁寿其, 骆寅, 韩岳江, 董健. 叶轮空蚀状态下离心泵振动特性分析[J]. 振动与冲 击,2020,39(02):92-99.

[ 19]  雷沫枝,胡国安,王月华,王国文, 阎伟巍,刘超.航空发动机离心叶轮高阶模态振动故障研 究[J].振动与冲击,2019,38(22):244-250.

[20]  王旭东，汤文成.基于有限元的轴流风机叶轮结构振动特性分析[J].科技信息(科学教研)， 2008 ( 13):412-413.

[21]  袁海峰.  叶轮叶片振动模态分析与实验研究[D].武汉理工大学,2010.

[22]  袁启铭.  轴流泵叶片流固耦合振动特性分析[D].扬州大学,2009.

[23]  Zhao Yaping. Vibration Mode Analysis of ANSYS WORKBENCH-Based Garden Blower Impeller[J]. Journal of Physics: Conference Series,2021, 1802(4).

[24]  Basu P.,Griffin J. H.. The Effect of Limiting Aerodynamic and Structural Coupling in Models of Mistuned Bladed Disk Vibration[J]. Journal of Vibration, Acoustics, Stress, and Reliability in Design, 1986, 108(2).

[25]  Ni Alexander. High Cycle Fatigue Cracks at Radial Fan Impellers Caused by Aeroelastic Self-Excited Impeller Vibrations: Part 2  — Mechanism and Mathematical Model[P]. ASME 1999 Design Engineering Technical Conferences, 1999.

[26]  童正明,刘金龙,倪计民,王琦玮,侯伟.离心压气机叶轮边缘断裂有限元分析[J]. 内燃机工 程,2014,35(02):107- 112.DOI:10. 13949/j.cnki.nrjgc.2014.02.001.

[27]  骆 天 舒 , 戴 韧 . 向 心 透 平 叶 轮 振 动频 率 的 有 限 元 分 析 [J]. 上 海 理 工 大 学 学 报,2004(02):117- 120.DOI:10. 13255/j.cnki.jusst.2004.02.006.

[28]  冯保 东 , 谢 卫 红 . 某 型 涡轮轴 发动机轴流压气机转子振动特 性分 析 [J]. 航 空 发动 机,2003(03):35-37.