【正文】 ? ???????） 2+4??????????2 最小慣性積 ： ??Ⅰ ?Ⅰ = ?????? ???????2 ?12√（ ?????? ???????） 2+4??????????2 對于不對稱的截面來說，由于各邊到軸的最大距離不同，所以截面系數(shù)也不同，應(yīng)分別求出。如果在發(fā)生共振現(xiàn)象時(shí)，葉片會發(fā)生疲勞斷裂。 如圖所示：已知 E 點(diǎn)的坐標(biāo)，則力臂A 和 B 可以表示出來： A = ED = NCcos???????sin?? = (?????)cos???(?? ???)sin?? B = EF = NCsin??+????cos?? = (?? ???)sin??+(?????)cos?? 離心彎應(yīng)力在截面上引起的彎矩為 ： ???? = ?????? ???? = ?????? 力矩 MA、 MB 在背弧、進(jìn)出氣邊上引起的應(yīng)力為： ??進(jìn) 、 出?? = ??????1 ??背?? = ??????3 ??進(jìn)?? = ??????4 ??出?? = ??????2 在后緣出的彎應(yīng)力 ： ??1= ??????1+??????2= ??1??1??Ⅱ ?Ⅱ+ ??2??2??Ⅰ ?Ⅰ 在前緣處的彎應(yīng)力 ： ??2 = ??1??1+??2??4= ??1??1??Ⅱ ?Ⅱ? ??2??4??Ⅰ ?Ⅰ 在葉背出的彎應(yīng)力： ??3 = ???1??3= ? ??1??3??Ⅱ ?Ⅱ y 1 =f 1 (z)y 2 =f 2 (z)zyCoⅠⅡⅠⅡabβFEDcdzyCoⅠⅡⅠⅡFEDNBβ15 再對氣流力進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，先需要了解轉(zhuǎn)子葉片間的速度分布。 這種因溫度變化而引起的應(yīng)力就被稱為熱應(yīng)力 ， 或者溫度應(yīng)力 。 b1b2αb iP P1 12 2i im∑F c19 圖 20 以∑ FC表示整個(gè)葉片的離心力。世界各發(fā)達(dá)國家在國防、航空航天、交通運(yùn)輸、冶金和化工、能源和環(huán)境、生物、氣象、農(nóng)業(yè)等各種不同的工程領(lǐng)域都開始了廣泛利用計(jì)算流體力學(xué)的知識對各種過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬的工作，以計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助工程分析技術(shù)己進(jìn)入實(shí)用階段。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使 Fluent 在轉(zhuǎn)捩與湍流、多相流、動 /變形網(wǎng)格等方面有廣泛應(yīng)用。具有自由表面流模型，歐拉多相流模型，混合多相流模型，顆粒相模型，空穴兩相流模型，濕蒸汽模型。以此方式來實(shí)現(xiàn)葉片和空氣的雙向耦合模擬的。 對流體機(jī)械內(nèi)部進(jìn)行有限元分析的第一步就是建立實(shí)體模型 ，實(shí)體模型的建立 不是簡單的幾何畫圖，而是要考慮到幾何模型是用來生成有限元網(wǎng)格的，因此要根據(jù)將生成的有限元網(wǎng)格的需要進(jìn)行幾何建模。 30176。結(jié)構(gòu)采用是等截面不扭曲，其基本參數(shù)為： 葉片名稱 靜子葉片 安裝角 γ 30176。 結(jié)合到本課題的復(fù)雜模型 ， 故采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格四面體 。 FLUENT 中，需要對流體域的邊界條件進(jìn)行設(shè)置。然后分別把流體域中分別于轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片接觸的面設(shè)置為耦合面，這面就可以把流體中轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片表面的壓力值通過耦合面?zhèn)鬟f到 ANSYS 中，形成對固體所加的載荷。 圖 29 流域 Z= 出截面速度云圖 29 30 在 Z= 界面處的速度分布云圖 圖 31 流域速度分布云 取 Y= 處的截面，然后繪制該處的流線圖。 把理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真模擬結(jié)合起來，以互相驗(yàn)證和促進(jìn)，更好的對葉片的靜強(qiáng)度進(jìn)行一個(gè)計(jì)算研究。在此，衷心地謝謝大家 。最大拉伸 /壓縮應(yīng)力和尖端變形在每一種情況下被發(fā)現(xiàn)是在材料和結(jié)構(gòu)的限制，根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。目前，有各種各樣的方法，用于建立這些模型組件，和它們耦合的方法，以觀察 FSI 作用下的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。由于其高水平的準(zhǔn)確性和靈活性，在這項(xiàng)氣動元件 FSI 模型的研究中選擇 CFD 模型。有限元。梁模型是 1D（一維）表示的三維結(jié)構(gòu)的離散屬性，如剛度和質(zhì)量成點(diǎn)沿一維梁。 BEM 模型的高效率也使得它適合設(shè)計(jì)優(yōu)化，通常涉及大量的設(shè)計(jì)迭代。然而，作為大型風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的尺寸和靈活性的增長的結(jié)果，葉片變得更容易受到氣動彈性所引起的 FSI（流體結(jié)構(gòu)相互作用）問題。這些影響可能會導(dǎo)致氣動彈性失穩(wěn)問題，如沿邊的不穩(wěn)定性和顫振，這可能是毀滅性的葉片和風(fēng)機(jī)。 33 【 參考文獻(xiàn) 】 34 致 謝 經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有楊磊導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及同學(xué)和家人的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。 30 圖 32 Y= 截面出的流線圖 壓力場計(jì)算和分析 由計(jì)算結(jié)構(gòu)可以看出 ， 由于整個(gè)壓氣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜 ， 所以整個(gè)內(nèi)流場的分布也是比較復(fù)雜的 ，從從圖 3圖 34 和圖 35 可以看出壓力在軸向是陳呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。 結(jié)果數(shù)據(jù)可以通過 CFDPOST 很方便的畫出各種圖形，便于研究。在進(jìn)行約束的時(shí)候，需要分別對轉(zhuǎn)子葉片坐在的葉輪、靜子葉片進(jìn)行設(shè)置。 圖 27 流域處的網(wǎng)格視圖 在該流域的網(wǎng)格劃分中 ， 設(shè)置的基本單元尺寸為 ，總共得到了 92175 個(gè)單元 和19847 個(gè)節(jié)點(diǎn) 。由于本課題所采用的是 TC4鈦合金，可以查閱相關(guān)的資料得知其具有的基本特性參數(shù)，特性表見下： 材料名稱 TC4 鈦合金 溫度 0℃ ~500℃ 密度 4500Kg/m3 泊松比 彈性模量 110GPa 膨脹系數(shù) 10?6℃?1 熱導(dǎo)率 *k 表 3 葉片材料參數(shù) 圖 25 靜子葉片組成 圖 26 轉(zhuǎn)子葉片組成 26 ICEM CFD 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格的作用在于將空間連續(xù)的計(jì)算區(qū)域分割成足夠小的計(jì)算區(qū)域。 圖 22 變截面扭曲葉身 24 對于樅樹型的榫頭模型建立 ， 其的數(shù)據(jù)是根據(jù) 《 HB59652021樅樹形榫頭、榫槽尺寸標(biāo)注與技術(shù)要求 》中的要求進(jìn)行設(shè)定的，建立的三維實(shí)體模型見圖 23 所示。 23 實(shí)體模型 的建立 葉片的三維實(shí)體模型的建立是本課題的一個(gè)難點(diǎn)，同樣也是本課題的一個(gè)重點(diǎn)。 圖 23 雙向 FSI 標(biāo)準(zhǔn) WB 流程 建立 有限元分析（ FEA， Finite Element Analysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。 這種方法可以較好的同時(shí)考慮到兩個(gè)物理場之間的相互作用和影響。 Fluent 軟件中的動 /變形網(wǎng)格技術(shù)主要解決邊界運(yùn)動的問題，只需指定初始網(wǎng)格和運(yùn)動壁面的邊界條件，余下的網(wǎng)格變化完全由解算器自動生成。 CFD 軟件主要分為以下兩大類一類是專用 CFD軟件，如 FLIENT、 FIDAP、CFX 都是這樣的軟件。既 按各齒受力相等的條件計(jì)算每個(gè)齒上的作用力 P，其數(shù)值 為： P = ∑????2??cos??2 式中 2n——齒數(shù)； α ——樅樹 榫頭 的椎 型 角； ∑FC= FC+ FC0 +FCZ1 FC——葉片型線部分的離心力； FC0——11 截面以上 榫頭 部分離心力； FCZ1——11 截面以下 榫頭 部分離心力。 在常溫下 T1為 下， 進(jìn)口壓力 P1，出口壓力 P2， 壓氣機(jī) 的 出口溫度 T2為 ： ??2??1 = ???? ??2??1 = (??2??1)???1?? ??2 =??1(??2??1)???1?? = ()? = ?? 由此可以看出該型號壓氣機(jī)的最高工作溫度比較低 。 . 圖 16 出口速度三角形 C=μ +ω 式中 c—— 絕對速度，以大地為參照點(diǎn)，觀察到得氣流速度； w—— 相對速速，以旋轉(zhuǎn)的工作葉輪為參照點(diǎn)，觀察到的空氣流過工作葉輪的速度 ； u—— 牽連速度，是以大地為參照點(diǎn)，觀測到的工作葉輪的旋轉(zhuǎn)切向速度。 由于葉片的工作特點(diǎn)，對于葉身所受的扭矩而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力忽略不計(jì)，只從一下幾方面進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算。 10 3 葉片強(qiáng)度計(jì)算 葉片的 設(shè)計(jì)方法 、制造和加工技術(shù)對壓氣機(jī)的工作效率及安全可靠性起著很重要的影響，壓氣機(jī)工作葉片是航空發(fā)動機(jī)的事故頻發(fā)的主要誘因之一，葉片的故障可以占總故障的 40%以上。 在 對 表達(dá)式進(jìn)行求解的時(shí)候 ， 一般采用離散化的方法 。 圖 7 銷釘式型榫頭 樅樹型榫頭呈楔形 ， 輪緣部分呈倒楔形 ， 從承受拉伸應(yīng)力的角度來看接近等強(qiáng)度 ， 在葉根和葉輪槽中，齒的非承載面一變有間隙，可利此間隙進(jìn)行空冷；同時(shí)松動配合葉片可以自動定心；間隙存在允許葉根和輪緣在受熱后膨脹，減小熱應(yīng)力。 目前軸流式壓氣機(jī) 轉(zhuǎn)子葉片 的榫頭 常用 的葉根形式：燕尾型 、銷釘型 、 縱樹型等。對于民航大涵道比發(fā)動機(jī)，前面的風(fēng)扇葉片，由于尺寸巨大，如果用鋼會導(dǎo)致超大的離心力，鈦合金也就成為唯一的選擇。 6. 具有良好的減振性。 在高溫情況下（ 600K 以上），有足夠的蠕變極限和持久強(qiáng)度極限。因此，對于直葉片來說。葉身是葉片在氣流通道內(nèi)帶有葉型的部分，榫頭是葉片安裝在葉輪上的部分。為了更好的對內(nèi)流場的流動情況進(jìn)行模擬，根據(jù)壓氣機(jī)內(nèi)部的施加情況，即空氣的物理狀態(tài)的分析是流體力學(xué)，而葉片的結(jié)構(gòu)變形是彈塑性力學(xué)，因此同時(shí)考慮流體和固體的耦合求解方式可以獲得更加準(zhǔn)確，更加符合實(shí)際情況的計(jì)算結(jié)果。 直接計(jì)算法 這是一近似的求解 受力大小的方法 。氣流力會直接作用在工作葉片上，由于氣流力是脈動的，這種脈動的性質(zhì)就會使葉片發(fā)生振動。 axial flow pressor 目錄 1 引言 .......................................................................................................................... 1 課題介紹 ........................................................................................................ 1 研究方法 ........................................................................................................ 1 直接計(jì)算法 ............................................................................................... 1 有限元分析法 ............................................................................................ 2 2 轉(zhuǎn)子葉片 ................................................................................................................... 2 葉身結(jié)構(gòu) ........................................................................................................ 3 榫頭結(jié)構(gòu) ........................................................................................................ 5 葉片截面的幾何特征 ....................................................................................... 7 3 葉片強(qiáng)度計(jì)算 .......................................................................................................... 10 葉片受力分析 ..........................