压气机叶片振动综合可靠性分析方法研究

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压气机叶片属于航空发动机中关键零件之一,其工作的安全可靠性直接关系到整个发动机的运行状态和寿命安全。振动引起的失效是叶片主要的失效形式。通过对叶片的材料因素、尺寸公差因素、外激振力因素等影响压气机叶片振动的因素的分析研究,建立起压气机叶片的振动可靠性分析模型,为评估指导压气机叶片的改型、改进提供参考和依据。主要的研究内容如下:(1)从研究压气机叶片的振动形式和受迫振动机理入手,基于有限元分析思想,建立了压气机叶片结构的动力学有限元模型,实现了压气机叶片的振动模态分析和振动响应分析。在压气机叶片结构的动力学有限元模型基础之上,考虑了叶片材料、结构尺寸及工况分散性,采用响应面法和蒙特卡洛法,建立了压气机叶片动力学概率分析模型和方法,实现了压气机叶片固有频率、最大振幅及最大振动应力的概率分析。(2)基于结构可靠性的应力-强度干涉理论,建立了单频激励单自由度、单频激励多自由度和多频激励多自由度抗共振可靠性分析模型,结合压气机叶片动力学概率分析方法,建立了压气机叶片结构的抗共振可靠性分析方法。采用该方法对叶片抗共振可靠性进行了计算分析,验证了所建立方法的可行性。(3)将刚度过载失效和强度过载失效统一为振幅过载失效。基于结构可靠性的应力-强度干涉理论,建立了抗振幅过载可靠性分析模型,包括单频激励单自由度、单频激励多自由度和多频激励多自由度抗振幅过载可靠性分析模型,结合压气机叶片动力学概率分析方法,建立了压气机叶片结构的抗振幅过载失效可靠性分析方法。采用该方法对叶片抗共振可靠性进行了计算分析,验证了所建立方法的可行性。(4)根据抗共振可靠性和抗振幅过载可靠性模型,根据独立事件发生的概率分析理论,推导了抗共振可靠性和抗振幅过载的综合可靠性模型,结合压气机叶片动力学概率分析方法,建立了压气机叶片结构的振动综合可靠性模型和方法,并对压气机叶片结构综合可靠度进行了分析。(5)采用所建立的压气机叶片动力学概率分析方法,进行了叶片几何尺寸、材料属性和工况以及激振载荷对叶片固有频率和振幅的敏度分析。分析表明:等截面直叶片的固有频率对叶片长度方面的尺寸最为敏感;叶片振幅响应最大位移对随机输入变量的敏感性由大到小依次为:激振力力幅、叶片材料密度、激振力频率、叶片厚度、弹性模量、叶片高度。
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