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航空發(fā)動機靜子葉片(括壓氣機整流葉片和渦輪導向葉片)一般采用多聯(lián)裝的結構方案，將多個葉片通過內(nèi)、外環(huán)連接在一起，并固定在機匣上。這種結構既方便葉片拆裝，又可以提高剛性、減小葉片的變形。但在進行強度分析時，需要將其作為1個整體來考慮，這給分析帶來了一定的難度。本研究根據(jù)多聯(lián)裝靜子葉片的結構特點，利用影像超單元分析技術，既考慮了聯(lián)裝葉片整體結構的影響，使計算結果更加真實，又避免了一般整體計算所面臨的重復建模、加載與計算規(guī)模過大等方面的困難。
對靜子葉片進行強度分析常用的方法是建立1個葉片有限元分析模型，在兩側的切割邊界上采用自由或周期性邊界條件，并在葉身的盆背側施加壓力載荷。但這2種邊界條件都與多聯(lián)裝葉片的實際情況有較大的區(qū)別：采用自由邊界條件時，無法考慮相鄰葉片剛度的影響，計算的變形與應力值偏高，在大多數(shù)情況下計算的靜子葉片均無法滿足強度的要求，周期性邊界條件是使葉片上、下緣板兩側面相對應的節(jié)點在各方向上的位移一致，實際上模擬的是整環(huán)結構的葉片。而多聯(lián)裝靜子葉片(如圖所示)大多數(shù)為3-5個葉片1組，其葉片上、下緣板自由，同1聯(lián)中不同葉片的變形與應力是有差別的。
因此，多聯(lián)裝葉片的實際變形與應力情況應該介于自由與周期性邊界的中間，但這2種邊界條件的計算結果相差很大，而實際葉片的變形與應力情況與同1聯(lián)中葉片的數(shù)量、形狀以及上、下緣板情況等許多因素相關，依據(jù)這2種邊界條件的計算結果進行分析很難判斷多聯(lián)裝葉片是否滿足強度的要求。為使計算結果更加接近實際清況，可以對1聯(lián)中所有葉片全部建立有限元模型，進行計算分析。但由于葉片的形狀較復雜，特別是空心氣冷渦輪導向葉片的，即使對單個葉片劃分網(wǎng)格，其節(jié)點數(shù)量就已經(jīng)很多，若考慮全部葉片則計算規(guī)模更加龐大，對計算所用的軟、硬件條件要求較高。另外，葉片所受的載荷(包括氣動力與溫度等)也很復雜，需考慮不同位置葉片間的坐標變換與重復施加問題等，大大增加了前期數(shù)據(jù)處理準備的工作量，使計算周期延長。
鑒于所述的情況，提出利用MSC/NASTRAN的影像(Image)超單元分析功能，將1聯(lián)中的每個葉片都定義為1個超單元，但只劃分1個葉片的網(wǎng)格作為主超單元，其余葉片作為影像超單元，只定義外部節(jié)點，不需要劃分網(wǎng)格，與主超單元使用相同的剛度矩陣，避免了由網(wǎng)格重復劃分與載荷多次施加造成的對工作量的增加與系統(tǒng)資源的浪費。超單元分析方法主要用于解決在對大型復雜結構進行強度分析時，由計算模型過于龐大導致的現(xiàn)有計算機軟、硬件資源無法滿足需求的問題。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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