基于流固耦合的风扇叶片结构预变形设计研究

发布时间：2017-08-12 10:19

  本文关键词：基于流固耦合的风扇叶片结构预变形设计研究

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【摘要】：涡扇发动机风扇级的性能对发动机的整体性能有着重要的影响,而风扇叶型又是影响风扇叶片气动、结构性能的最重要参数之一。传统的设计方法得到的叶片制造叶型在叶片工作过程中由于负载的作用会产生变形,使得叶片工作时偏离其最佳设计叶形。因此,考虑结构变形与空气动力交互作用的预变形设计分析方法对风扇叶片的设计研究十分重要。本文以NASA Rotor 67风扇叶片为研究对象,以ANSYS、NUMECA、MPCCI、UG软件为分析平台,展开叶片预变形设计研究。研究过程涉及叶片的气动性能分析、流固耦合分析、有限元分析、叶片预变形设计。具体研究内容如下:(1)由于UG软件强大的几何建模功能,本文充分利用UG CAD建模模块功能,采用自底向上的建模方式,完成了Rotor67风扇叶片工作叶型(原始热态叶型)的创建。创建的叶片模型将用于后续的气动分析、流固耦合分析及叶片的总变形分析。(2)基于流固耦合理论,综合运用ANSYS、NUMECA、MPCCI软件,完成了叶片的气动性能分析;在UG环境下,综合考虑离心力和气动力作用,完成了叶片的变形分析,得出叶片在工作过程中的总变形量。(3)使用C/C++语言编程,创建UG可识别的预变形前后叶片几何模型数据文件,将变形量反叠加到原始热态叶型上,得到预变形模型。(4)在预变形设计中,首先对预变形模型进行变形分析,得到预变形叶片叠加位移后的模型——预热态叶型;然后用预热态叶型与原始热态叶型的叶型差修正预变形模型,经过多次迭代计算,得到预热态叶型与原始热态叶型的最大叶型差为0.018178mm时的预变形模型;最后以校验预热态叶型气动性能的方式分析预变形模型设计的合理性。气动分析结果表明:预热态叶型较原始热态叶型的设计点流量偏差为1.74%,压比偏差为0.674%,效率偏差为1.229%,二者各项气动性能参数较为吻合,说明本文所设计的预热态叶型可以满足性能要求。通过对NASA Rotor 67风扇叶片的预变形设计,探索了一种叶片预变形设计的方法,同时初步得出了可以满足性能要求的预热态叶型与原始热态叶型的最大叶型差为0.018178mm,对后续的叶片预变形设计具有一定的参考价值。
【关键词】：预变形设计 气动分析 风扇叶片 流固耦合
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V235.13
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 引言10-18
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究及应用现状11-14
• 1.2.1 叶片预变形设计研究现状11-12
• 1.2.2 叶片流固耦合分析方法研究现状12-14
• 1.3 研究方法及内容14-16
• 1.3.1 研究方法及技术路线14-15
• 1.3.2 主要研究内容15-16
• 1.4 论文结构安排16-18
• 第2章 研究对象选择与建模18-32
• 2.1 涡轮风扇发动机工作原理18-19
• 2.2 叶片模型及受力情况19-21
• 2.2.1 叶片模型概况19-21
• 2.2.2 叶片受力情况21
• 2.3 叶片几何模型21-25
• 2.3.1 UG软件22
• 2.3.2 叶片建模22-25
• 2.4 叶片模型检验25-26
• 2.4.1 检验思路25
• 2.4.2 有限元法及有限元分析软件ANSYS25-26
• 2.5 基于ANSYS的叶片离心静变形分析26-31
• 2.5.1 叶片有限元模型26-30
• 2.5.2 变形结果检验30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第3章 叶片流固耦合分析32-56
• 3.1 流体力学基本思想及NUMECA软件介绍32-34
• 3.2 基于NUMECA的叶片气动性能分析34-49
• 3.2.1 合理网格划分34-41
• 3.2.2 流动方程及湍流模型41-42
• 3.2.3 边界条件42-43
• 3.2.4 数值方法43-44
• 3.2.5 计算结果检验44-49
• 3.3 流固耦合基本思想及MPCCI软件49-52
• 3.3.1 流体控制方程50
• 3.3.2 固体控制方程50-51
• 3.3.3 流固耦合方程51-52
• 3.3.4 流固耦合分析软件MPCCI52
• 3.4 基于MPCCI的流固耦合分析52-55
• 3.4.1 耦合模型52-54
• 3.4.2 耦合参数54-55
• 3.4.3 结果分析55
• 3.5 本章小结55-56
• 第4章 叶片预变形设计56-74
• 4.1 基于UG的叶片总变形量分析56-61
• 4.1.1 UG高级有限元仿真分析56-57
• 4.1.2 叶片有限元模型57-61
• 4.1.3 结果分析61
• 4.2 创建预变形叶型（冷态叶型）61-65
• 4.2.1 获取原始热态叶片有限元模型网格节点数据61-62
• 4.2.2 读取仿真结果文件中的总变形量数据62-63
• 4.2.3 生成预变形叶片（冷叶型）63-65
• 4.3 迭代与收敛分析65-73
• 4.4 本章小结73-74
• 第5章 总结与后续工作展望74-76
• 5.1 总结74-75
• 5.2 后续工作展望75-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-82
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果82

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本文编号：661088