某航空发动机涡轮叶片动态可靠性建模与分析
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【摘要】:涡轮叶片作为航空发动机的关键部件之一,在很大程度上决定着发动机性能的优劣、工作是否可靠等。在运转状态下,涡轮叶片不仅承受巨大的离心力,随温度变化而产生的热应力,以及高温高压燃气所致的气动力等交变载荷的作用,而且随着工作温度和载荷循环次数的变化,在高温下工作的涡轮叶片极有可能出现蠕变损伤和疲劳损伤。随着工作温度的升高,叶片的力学性能逐渐降低,其安全裕度出现较大程度的下降,进而引起叶片的疲劳破坏。 本文正是针对上述问题,以某型航空发动机低压涡轮叶片为研究对象,在深入分析叶片故障模式的基础上,根据应力-强度分布干涉理论,并考虑载荷循环次数的影响,建立了某故障模式下涡轮叶片的动态可靠性分析模型。论文的主要工作如下: (1)考虑载荷作用次数对可靠性的影响,在机械零件强度不随时间变化的情况下,分析并讨论在单一及多种故障模式下零件的动态可靠性。 (2)根据非接触式测量设备扫描得到涡轮叶片的空间数据点,借助逆向造型软件Imageware构造叶片的特征曲线、曲面,并对重建的曲面进行诊断和质量评估。若曲面的精度达到相应的用户要求,再对其实施一定的操作构建完整叶片壳体。利用三维建模软件UG,采用一系列的操作构建叶片三维实体模型。 (3)利用ANSYS Workbench建立涡轮叶片的有限元分析模型。由于涡轮叶片主要承受离心力、热应力、气动力三种载荷的作用,,利用流体分析模块Fluid Flow(CFX)对涡轮叶片进行流场仿真,得到叶片的温度场以及压力场,并根据相应的模块计算叶片的热应力。在不同的工况下,对叶片施加相应的转速、载荷及边界条件,利用静力分析模块Static Structural计算叶片的应力及变形量。 (4)根据发动机的工作特点,将发动机每一次“启动-运转-停车”的工作状态考虑为载荷作用一次,建立载荷循环n次时等效载荷的分布。根据机械零件的动态可靠性模型,考虑涡轮叶片不同的故障模式,分析在单一故障模式及其多种故障模式下叶片的动态可靠性。
【关键词】:涡轮叶片 动态可靠性 载荷循环次数 应力-强度 有限元分析
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:V232.4;TB114.3
【目录】:
- 摘要5-6
- ABSTRACT6-11
- 第一章 绪论11-18
- 1.1 课题研究的目的及意义11-13
- 1.2 机械零件动态可靠性研究现状13-16
- 1.3 本文研究的主要内容16-18
- 第二章 机械零件动态可靠性建模理论18-29
- 2.1 引言18-19
- 2.2 考虑载荷多次作用时机械零件的动态可靠性模型19-28
- 2.2.1 次序统计量理论19-20
- 2.2.2 载荷多次作用时等效载荷的分布20-21
- 2.2.3 机械零件的动态可靠性分析21-28
- 2.2.3.1 单一故障模式下的动态可靠性模型22-26
- 2.2.3.2 多种故障模式下的动态可靠性模型26-28
- 2.3 本章小结28-29
- 第三章 涡轮叶片的逆向造型29-42
- 3.1 逆向工程技术简介29-31
- 3.2 逆向工程中的关键技术31-35
- 3.2.1 数据采集31-32
- 3.2.1.1 三坐标测量31-32
- 3.2.1.2 结构光法32
- 3.2.2 CAD 模型重建32-35
- 3.3 涡轮叶片的逆向造型35-41
- 3.3.1 Imageware 简介35-36
- 3.3.2 涡轮叶片 CAD 模型的重建36-41
- 3.4 本章小结41-42
- 第四章 涡轮叶片基于失效物理的有限元分析42-61
- 4.1 涡轮叶片的失效物理分析42-43
- 4.2 有限元法简介43-44
- 4.3 ANSYS Workbench 简介44-45
- 4.4 涡轮叶片的有限元应力分析原理45-50
- 4.4.1 三维问题的几何方程45-47
- 4.4.2 单元的位移函数47-49
- 4.4.3 单元的应变、应力矩阵49
- 4.4.4 单元刚度矩阵49
- 4.4.5 单元等效节点载荷49-50
- 4.5 航空发动机涡轮叶片的应力计算与分析50-60
- 4.5.1 叶片的结构及材料参数50-51
- 4.5.2 叶片的计算载荷51-56
- 4.5.2.1 离心力52
- 4.5.2.2 热应力52-55
- 4.5.2.3 气动力55-56
- 4.5.3 叶片的边界条件56-57
- 4.5.4 叶片的应力计算结果57-60
- 4.6 本章小结60-61
- 第五章 涡轮叶片动态可靠性建模与分析61-72
- 5.1 载荷多次作用时等效载荷的分布61-63
- 5.2 涡轮叶片的动态可靠性分析63-71
- 5.2.1 单一故障模式下叶片的动态可靠性分析64-69
- 5.2.1.1 叶片应力分布的确定65-66
- 5.2.1.2 叶片强度分布的确定66-67
- 5.2.1.3 叶片等效载荷的确定67-68
- 5.2.1.4 叶片动态可靠度的计算68-69
- 5.2.2 多种故障模式下叶片的动态可靠性分析69-71
- 5.2.2.1 叶片振动应力分布的确定69-70
- 5.2.2.2 叶片动态可靠度的计算70-71
- 5.3 本章小结71-72
- 第六章 结论与展望72-74
- 6.1 本文的主要贡献72-73
- 6.2 下一步工作的展望73-74
- 致谢74-75
- 参考文献75-79
- 攻博硕期间取得的研究成果79-80
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