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航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計與分析 版權(quán)信息
- ISBN:9787030730053
- 條形碼:9787030730053 ; 978-7-03-073005-3
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數(shù):暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計與分析 內(nèi)容簡介
本書共分6章,內(nèi)容分別為:轉(zhuǎn)子葉片強度、輪盤強度、葉片振動、輪盤振動、轉(zhuǎn)子振動與平衡、航空發(fā)動機零件的疲勞強度與壽命。本書重點針對航空發(fā)動機的三大關(guān)鍵件、重要件:葉片、輪盤、主軸,從工作條件載荷入手,在適當(dāng)?shù)募僭O(shè)條件下,推導(dǎo)建立其應(yīng)力、振動特性常規(guī)計算的基本理論與公式,結(jié)合相應(yīng)的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計準(zhǔn)則,形成關(guān)鍵件結(jié)構(gòu)強度與減振設(shè)計及分析方法。大部分章還給出了相應(yīng)算法的FROTRAN源程序。
航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計與分析 目錄
叢書序
前言
第1章轉(zhuǎn)子葉片強度
【學(xué)習(xí)要點】001
1.1概述001
1.1.1轉(zhuǎn)子葉片受力分析002
1.1.2計算模型簡化和坐標(biāo)系002
1.1.3計算狀態(tài)的選擇003
1.1.4葉片截面的主要幾何參數(shù)004
1.2離心拉伸應(yīng)力計算005
1.2.1一般積分公式 005
1.2.2數(shù)值積分法006
1.2.3平均離心拉伸應(yīng)力隨截面積變化規(guī)律007
1.3彎曲應(yīng)力計算010
1.3.1氣體力彎矩010
1.3.2離心力彎矩 015
1.3.3彎矩的合成與罩量設(shè)計016
1.3.4彎曲應(yīng)力020
1.4總應(yīng)力與安全系數(shù)021
1.5影響葉片強度的因素022
1.5.1扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的影響023
1.5.2熱應(yīng)力的影響023
1.5.3扭向的影響024
1.5.4蠕變的影響及葉片的伸長計算025
1.5.5柔性葉片彎曲變形的影響025
1.5.6葉冠的影響026
1.5.7其他因素的影響026
1.6榫頭強度計算027
1.6.1燕尾形榫頭027
1.6.2樅樹形榫頭029
【案例部分】032
【小結(jié)】034
【習(xí)題】034
附錄葉片應(yīng)力計算程序037
第2章輪盤強度
【學(xué)習(xí)要點】044
2.1概述044
2.2輪盤應(yīng)力計算的基本公式及解法046
2.2.1基本假設(shè)046
2.2.2彈性力學(xué)方程組建立047
2.2.3彈性力學(xué)方程組的求解049
2.3等厚輪盤應(yīng)力計算051
2.3.1等溫實心等厚盤機械應(yīng)力052
2.3.2等溫空心等厚盤機械應(yīng)力 053
2.3.3等厚盤熱應(yīng)力056
2.4復(fù)雜剖面輪盤應(yīng)力常規(guī)計算方法——等厚圓環(huán)法060
2.4.1分段等厚圓環(huán)法的基本思路061
2.4.2等厚圓環(huán)法的運算公式062
2.5輪盤的安全系數(shù)066
2.6等強度盤型面設(shè)計069
2.7輪盤的一些專門問題072
2.7.1偏心孔邊的應(yīng)力集中072
2.7.2彈塑性輪盤的基本概念073
【案例部分】077
【小結(jié)】078
【習(xí)題】079
附錄用等厚圓環(huán)法計算變厚度盤應(yīng)力程序081
第3章葉片振動
【學(xué)習(xí)要點】085
3.1概述085
3.2等截面葉片(梁)的彎曲振動086
3.2.1梁彎曲振動微分方程086
3.2.2等截面懸臂梁的固有頻率與振型089
3.2.3等截面雙簡支梁的固有頻率與振型092
3.2.4等截面葉片彎曲振動固有頻率影響因素093
3.3等截面葉片扭轉(zhuǎn)及其他復(fù)雜振動094
3.3.1等截面葉片扭轉(zhuǎn)振動094
3.3.2葉片復(fù)雜振動097
3.4變截面葉片彎曲振動的近似解法098
3.4.1漸近法098
3.4.2能量法103
3.5旋轉(zhuǎn)葉片的彎曲振動105
3.6影響葉片自振頻率的其他因素111
3.6.1溫度的影響111
3.6.2葉片扭向的影響112
3.6.3支承盤剛度的影響113
3.6.4根部非固裝情況的影響114
3.6.5葉片長厚比的影響115
3.7振動應(yīng)力116
3.8激振力分析117
3.8.1尾流激振118
3.8.2旋轉(zhuǎn)失速和隨機激振121
3.9振動阻尼123
3.9.1氣動阻尼123
3.9.2構(gòu)造阻尼124
3.9.3材料阻尼124
3.10顫振126
3.11葉片振動故障的排除130
3.11.1葉片振動故障的判別130
3.11.2葉片振動故障排除及減振措施130
【案例部分】141
【小結(jié)】142
【習(xí)題】142
附錄漸近法計算變截面葉片固有頻率程序及示例144
第4章輪盤振動
【學(xué)習(xí)要點】150
4.1圓盤振動的形式150
4.2薄等厚圓盤的自振頻率及振型152
4.3影響盤自振頻率的因素156
4.3.1盤自振頻率的4大主要影響因素156
4.3.2葉片對盤自振頻率的影響156
4.3.3離心力的影響 157
4.3.4溫度對輪盤自振頻率的影響158
4.4動波158
4.4.1行波振動158
4.4.2駐波與臨界轉(zhuǎn)速160
4.4.3輪盤共振特性162
4.5盤振動的激振力163
【案例部分】164
【小結(jié)】164
【習(xí)題】165
第5章轉(zhuǎn)子振動與平衡
【學(xué)習(xí)要點】166
5.1概述166
5.2轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的基本特性167
5.3軸質(zhì)量對于臨界轉(zhuǎn)速的影響170
5.4陀螺力矩的影響173
5.4.1轉(zhuǎn)子陀螺力矩公式173
5.4.2考慮陀螺力矩影響時臨界轉(zhuǎn)速計算的柔度系數(shù)法177
5.4.3考慮陀螺力矩影響時臨界轉(zhuǎn)速計算的剛度系數(shù)法179
5.5支承彈性及質(zhì)量的影響185
5.5.1支承彈性的影響185
5.5.2支承質(zhì)量及彈性影響的動剛度法分析189
5.6阻尼的影響197
5.7其他影響臨界轉(zhuǎn)速的因素201
5.7.1軸向力的影響201
5.7.2扭矩的影響202
5.7.3非圓截面軸的影響202
5.7.4盤及葉片柔性的影響205
5.7.5連接構(gòu)造的影響205
5.8多盤轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速計算206
5.8.1分解法(頓克公式的推廣)206
5.8.2能量法(瑞利法)207
5.8.3傳遞矩陣法208
5.8.4復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計算的子結(jié)構(gòu)傳遞矩陣法216
5.9整機振動介紹222
5.9.1振源與靜子的振動特性222
5.9.2頻譜分析224
5.10發(fā)動機轉(zhuǎn)子平衡225
5.10.1轉(zhuǎn)子不平衡的形式225
5.10.2保證發(fā)動機轉(zhuǎn)子平衡性的方法228
5.10.3剛性轉(zhuǎn)子與柔性轉(zhuǎn)子的平衡230
5.10.4不平衡度的選擇231
5.11轉(zhuǎn)子減振設(shè)計方法232
5.11.1剛性轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計方法232
5.11.2柔性轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計方法233
5.11.3轉(zhuǎn)子支點加裝阻尼器及撓度限制器235
5.11.4支承剛性非線性設(shè)計235
5.11.5改善轉(zhuǎn)子的平衡設(shè)計236
【案例部分】236
【小結(jié)】236
【習(xí)題】238
附錄計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的傳遞矩陣法程序240
第6章航空發(fā)動機零件的疲勞強度與壽命
【學(xué)習(xí)要點】248
6.1概述248
6.2疲勞研究的基礎(chǔ)250
6.2.1疲勞和疲勞壽命250
6.2.2疲勞載荷譜252
6.2.3金屬材料的常用疲勞壽命模型257
6.2.4Miner線性累計損傷理論267
6.2.5載荷譜雨流計數(shù)268
6.3發(fā)動機零件的疲勞強度和壽命270
6.3.1發(fā)動機零件疲勞壽命估算方法270
6.3.2構(gòu)件安全壽命與可靠度278
6.4算例280
6.4.1壓氣機葉片的壽命預(yù)測280
6.4.2某高壓一級渦輪盤的壽命預(yù)測283
6.4.3某高壓渦輪軸的高低周復(fù)合疲勞壽命評估284
【案例部分】286
【小結(jié)】288
【習(xí)題】289參考文獻291
航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計與分析 節(jié)選
第1章 轉(zhuǎn)子葉片強度 【學(xué)習(xí)要點】 ● 熟悉轉(zhuǎn)子葉片受力特征、典型工作狀態(tài)。 ● 掌握葉身離心拉伸、彎曲、合成應(yīng)力常規(guī)計算方法及應(yīng)力分布特征。 ● 熟悉葉片強度失效模式及應(yīng)力評定標(biāo)準(zhǔn)。 ● 掌握葉身結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要點。 ● 了解影響葉片強度的其他因素。 ● 了解榫頭應(yīng)力概念、常規(guī)計算方法及強度設(shè)計基本要求。 1.1 概述 轉(zhuǎn)子葉片是壓氣機和渦輪中完成功能轉(zhuǎn)換的重要零件,在發(fā)動機工作時承受著巨大的負荷。若轉(zhuǎn)子葉片強度不足,將產(chǎn)生有害變形、裂紋、斷裂等故障,碎片飛出還會打壞鄰近的葉片和機匣,甚至打穿機匣外的管路,造成嚴重的事故。發(fā)動機中轉(zhuǎn)子葉片的數(shù)量很大,少則幾百片,多達幾千片。如果能減小轉(zhuǎn)子葉片的質(zhì)量,則輪盤、轉(zhuǎn)子和承力機匣等構(gòu)件的質(zhì)量也隨之減小,從而將使整臺發(fā)動機的質(zhì)量大為減小。轉(zhuǎn)子葉片強度設(shè)計分析的目的是保證所設(shè)計的轉(zhuǎn)子葉片能可靠工作,又使其盡可能輕。 設(shè)計葉片時,① 首先要進行壓氣機或渦輪葉片的氣動設(shè)計。根據(jù)設(shè)計的氣動參數(shù),選取一定的葉型,確定葉身各個截面的弦長b、*大厚度Cmax、進出氣角、前后緣小圓半徑等葉型構(gòu)造參數(shù);② 然后進行葉身結(jié)構(gòu)強度設(shè)計。通過調(diào)整葉片各個截面的面積和各個截面形心之間的相對位置(即葉片各截面形心沿葉高的變化),進行多次葉片強度計算及設(shè)計方案比較,以實現(xiàn)葉身結(jié)構(gòu)優(yōu)化,質(zhì)量盡可能小;③ 還要結(jié)合葉片振動特性分析設(shè)計,考慮是否加裝阻尼結(jié)構(gòu)(如葉冠、凸臺、輪緣阻尼結(jié)構(gòu)等);④ 根據(jù)加工工藝和積疊葉型須平滑過渡等要求進行葉片外形修整。為了滿足氣動、強度、振動、工藝等各方面的綜合要求,且力求質(zhì)量小,上述計算分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計修整過程往往需要進行多次迭代。 本章重點討論轉(zhuǎn)子葉片的強度分析問題。應(yīng)該指出,壓氣機和渦輪轉(zhuǎn)子葉片的強度計算公式和方法是基本相同的,只是在受力方向、葉片形狀等方面有差異。 1.1.1 轉(zhuǎn)子葉片受力分析 航空發(fā)動機工作時,轉(zhuǎn)子葉片受到下列幾種負荷(參見圖1-1)。 圖1-1 作用在轉(zhuǎn)子葉片上的力 1. 葉片自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力 由于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速很高,故葉片自身的質(zhì)量離心力很大。例如一個質(zhì)量為0.7kg的轉(zhuǎn)子葉片在*大轉(zhuǎn)速(11000r/min)工作時產(chǎn)生的離心力高達70000N,接近葉片自重的10萬倍。葉片在其自身離心力的作用下,將產(chǎn)生很大的拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力,還能引起扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。 2. 氣流的橫向氣體力 壓氣機或渦輪的轉(zhuǎn)子葉片都處于流量大、流速高的氣流中,無論是燃氣驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)子葉片做功,或是壓氣機轉(zhuǎn)子葉片壓縮空氣,都有很大的橫向氣體力作用在葉片表面,使葉片受到較大的氣動彎矩。氣體力使葉片產(chǎn)生彎曲應(yīng)力,還會引起扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。 3. 熱負荷 在渦輪中,燃氣溫度可達到1700℃或更高,渦輪轉(zhuǎn)子葉片的表面溫度也將接近這個數(shù)值。壓氣機末幾級轉(zhuǎn)子葉片的溫度可達400~550℃或更高。這不僅使材料的許用應(yīng)力降低,而且葉片由于溫度分布不均勻還會產(chǎn)生熱應(yīng)力。渦輪轉(zhuǎn)子葉片中的熱應(yīng)力較大,特別是在發(fā)動機起動及停車過程更為嚴重,葉片往往因熱機械疲勞而損壞。 4. 振動負荷 由于氣流擾動等原因會激起葉片振動,這將在葉片中產(chǎn)生交變的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。在某些情況下,這種振動應(yīng)力還會很大。 在上述各種負荷同時作用的情況下,葉片的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜,也難以精確計算。為了使問題簡化,在方案設(shè)計或初步設(shè)計時可只計算葉片的主要的應(yīng)力成分,并求出其代數(shù)和,得到近似的總應(yīng)力。然后根據(jù)葉片材料的許用應(yīng)力,計算出安全系數(shù)。至于那些被忽略的和難以計算的應(yīng)力成分,在強度儲備系數(shù)中加以考慮。 1.1.2 計算模型簡化和坐標(biāo)系 計算轉(zhuǎn)子葉片的應(yīng)力時,通常作如下假設(shè)。 (1)把轉(zhuǎn)子葉片看作根部完全固裝的懸臂梁。忽略葉片承受各種負荷后產(chǎn)生的變形。 (2)轉(zhuǎn)子葉片僅承受自身質(zhì)量離心力和橫向氣體力,只計算由離心力產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力,以及由氣體力引起的彎曲應(yīng)力,不計葉片上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、熱應(yīng)力和振動應(yīng)力。 圖1-2 葉片的坐標(biāo)系 (3)設(shè)轉(zhuǎn)子葉片各截面的扭轉(zhuǎn)中心(剛心)、氣體力壓力中心與形心(質(zhì)心)三者重合,則離心力和氣體力均作用于截面形心(質(zhì)心),忽略其對葉片其他截面產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。 轉(zhuǎn)子葉片的軸線(各截面形心連線)通常是略有彎曲的空間曲線,因此計算葉片的強度時可采用如圖1-2所示XYZ總體直角坐標(biāo)系和xyz截面局部坐標(biāo)系。取轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線為OX軸,以發(fā)動機排氣方向為正;通過葉根截面形心o′作OX軸的垂線即為OZ軸,以指向葉尖方向為正,垂足O即為坐標(biāo)系原點;將OX軸繞OZ軸順鐘向旋轉(zhuǎn)90°(沿OZ軸向下看)即為OY軸的正向。截面局部坐標(biāo)系的原點oi為轉(zhuǎn)子葉片第i截面的形心,其x、y、z軸分別與X、Y、Z軸平行。 1.1.3 計算狀態(tài)的選擇 航空發(fā)動機,特別是軍用航空發(fā)動機的工作范圍寬,任務(wù)剖面變化大,這也是軍用航空發(fā)動機區(qū)別于民用航空發(fā)動機以及地面燃機的主要差異之一。飛行速度V和高度H不同,則進入發(fā)動機的空氣溫度、壓力、密度會隨之改變,進而影響發(fā)動機空氣流量。發(fā)動機的轉(zhuǎn)速也時常改變。這都將引起葉片上所受的負荷發(fā)生變化。另外,葉片工作溫度的變化對葉片材料的許用應(yīng)力也有影響。因此,轉(zhuǎn)子葉片上的應(yīng)力情況及安全系數(shù)將隨各工作狀態(tài)不同而變化。一般來講,只需要選取葉片若干典型幾種*危險狀態(tài)進行強度計算校核,即可保證在各種飛行狀態(tài)下葉片能可靠工作。 圖1-3 航空發(fā)動機高度H~速度V(或馬赫數(shù)Ma)包線示意圖 如前所述,作用于轉(zhuǎn)子葉片上的*主要負荷是葉片自身的離心力和氣體力。離心力與發(fā)動機轉(zhuǎn)速有關(guān),顯然在*大轉(zhuǎn)速nmax時的離心力*大。氣體力的變化主要與發(fā)動機流量有關(guān)。由于葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計時通常要求盡可能使離心力彎矩和氣體力彎矩相互抵消,這就要求對葉片*大和*小氣體力兩種極端情況加以重點考慮。因此在對轉(zhuǎn)子葉片進行強度設(shè)計分析時,需在如圖1-3飛機飛行包線內(nèi)選擇下列若干典型計算狀態(tài)。 A狀態(tài):設(shè)計狀態(tài)(即地面試車狀態(tài)),取H=0,V=0,n=nmax,作為葉片強度計算的基本計算狀態(tài)。 B2狀態(tài):低空高速飛行(*大氣動)狀態(tài),這時發(fā)動機空氣流量*大,取H=0,VH=0max,n=nmax,進氣溫度可按夏季地面*高溫度計算,如t0=313K。 C狀態(tài): 高空低速飛行(*小氣動)狀態(tài),這時發(fā)動機空氣流量*小,取H=Hmax,V=VHmaxmin,n=n巡航,t0=tHmax進行計算。tHmax為高度Hmax處的大氣溫度。 D、B1狀態(tài):*大熱負荷狀態(tài)——熱端件溫度*高(若開加力狀態(tài),限制使用時間),t4=tmax,n=nmax。 E狀態(tài):中間以上狀態(tài),可取H=Hz,V=Vz,n=nmax進行計算,中間以上狀態(tài)工作總時間Time=TimeC (約占總壽命10%~35%)。可以近似按*大轉(zhuǎn)速狀態(tài)估算葉片應(yīng)力及持久強度,它們的機械及熱負荷差別不大。 1.1.4 葉片截面的主要幾何參數(shù) 進行葉片應(yīng)力常規(guī)計算時,需要知道葉片各截面的面積、形心坐標(biāo)、主慣矩軸和主慣性矩。由于葉片截面形狀特殊,一般難以解析計算,早期采用近似估算法。現(xiàn)在可借助有限元分析通用軟件(如ANSYS),直接計算葉型截面積、形心位置,葉片體積、葉片重心位置等。此處介紹一種近似估算法(參見圖1-4),計算誤差為8%~10%。 圖1-4 近似估算葉形截面幾何參數(shù)圖 對于薄葉型: 面積* 形心坐標(biāo)m=0.429b n=0.811h 主慣性矩* * *小主慣矩軸η與葉弦平行。 對于較厚的大曲度葉型: 面積A=0.7bcmax 重心坐標(biāo)m=0.429b n=0.762h 主慣性矩* * *小主慣矩軸η與葉弦平行。 1.2 離心拉伸應(yīng)力計算 轉(zhuǎn)子葉片在自身質(zhì)量離心力的作用下,將產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。顯然,葉片任一垂直于Z軸的橫截面上的平均離心拉伸應(yīng)力等于該截面以上的葉片質(zhì)量離心力沿Z軸方向的分量與該截面面積之比。使用常規(guī)算法計算葉片拉應(yīng)力時假設(shè)在一個截面上的離心拉伸應(yīng)力是均勻分布的。 1.2.1 一般積分公式 如圖1-5所示,在葉片上取一個高度為dZ的微元段,并在該微元段上取一個微元體dXdYdZ,令微元體的面積dXdY=dA,則微元體的離心力dp為 式中,ρ為葉片材料密度;ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度;Z′為微元體重心到旋轉(zhuǎn)軸X的距離。 注意到Z=Z′cosφ,則離心力dP沿Z軸方向的分量為 因此,截面積為A(Z)的葉片微元段質(zhì)量所產(chǎn)生的沿Z軸方向的離心力為 這樣,就可求出轉(zhuǎn)子葉身任一截面(Z=Zi)上的葉片質(zhì)量的離心力沿Z軸方向的分量為 式中, ZT為葉尖處的Z坐標(biāo)值;A(Z)為葉片橫截面面積,是隨Z坐標(biāo)變化的函數(shù)。 則葉片任一截面(Z=Zi)以上的離心力作用在Zi截面上的平均拉伸應(yīng)力如下: (1-1) 圖1-5 葉片微元體所產(chǎn)生的離心力 1.2.2 數(shù)值積分法 按照式(1-1)求葉片任一截面上的平均離心拉神應(yīng)力,必須知道葉片橫截面積隨葉高變化的規(guī)律A(Z)。一般這一規(guī)律比較復(fù)雜,常不易用解析式表達并求積分,所以通常可采用數(shù)值積分法。 圖1-6 葉片分段積分計算簡圖 如圖1-6所示,將葉片沿葉高分成n段,則從葉尖到葉根有第0,1,2, ,n共n+1個截面。先研究**段,即第01葉片段,該段葉片質(zhì)量離心力沿Z軸方向的分量為 式中,Am1=12(A0+A1) 為**段葉片的平均截面積;Zm1=12(Z0+Z1)為**段葉片的平均Z坐標(biāo);ΔZ1=Z0-Z1為**段葉片的Z向高度。 同理,可求出ΔP2,ΔP3, ,ΔPn。 設(shè)葉片第i截面面積為Ai,則該截面以上葉身的離心拉伸應(yīng)力為
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