一種整體葉輪強(qiáng)度有限元計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪強(qiáng)度計(jì)算方法領(lǐng)域，更具體地，涉及一種整體葉輪強(qiáng) 度有限元計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 整體葉輪在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的提高， 整體葉輪的強(qiáng)度問題尤為突出，對(duì)強(qiáng)度分析的要求越來越高。對(duì)于整體葉輪，目前主要采用 3維循環(huán)對(duì)稱有限元法來進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析。圖2為一整體離心葉輪示意圖，有大葉片1、小 葉片2各15個(gè)，用3維循環(huán)對(duì)稱有限元法，截取含大、小各一個(gè)葉片的循環(huán)段扇區(qū)（即1/15) 進(jìn)行計(jì)算，圖3為該離心葉輪的循環(huán)對(duì)稱有限元模型，其中兩個(gè)側(cè)面稱為循環(huán)對(duì)稱面，用3 維循環(huán)對(duì)稱有限元法雖能合理地模擬的整體葉輪，但建模工作量很大，計(jì)算時(shí)間長，所需的 存儲(chǔ)空間大，尤其對(duì)具有兩組以上葉片的情況更為嚴(yán)重。因此在實(shí)際計(jì)算中往往不得不將 有限元網(wǎng)格劃分得非常粗糙，致使關(guān)健部位得不到應(yīng)有的計(jì)算精度。在設(shè)計(jì)階段，尤其在進(jìn) 行形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，這些都成為其致命缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供一種高效，高精度的整體葉輪強(qiáng)度有限元計(jì)算方法。
[0004] 為了達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 一種整體葉輪強(qiáng)度有限元計(jì)算方法，包括以下步驟： 51 :對(duì)葉輪葉片進(jìn)行3維有限元?jiǎng)澐?，?duì)葉輪輪盤進(jìn)行軸對(duì)稱有限元?jiǎng)澐?，使葉片和輪 盤在邊界上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)； 52 :計(jì)算輪盤剛度矩陣、輪盤各節(jié)點(diǎn)承受的軸對(duì)稱載荷，并根據(jù)輪盤平衡方程計(jì)算得到 輪盤各節(jié)點(diǎn)在軸對(duì)稱載荷作用下的位移向量； 53 :計(jì)算葉片剛度矩陣、葉片各節(jié)點(diǎn)所受的離心載荷，由此獲得葉片平衡方程，將與輪 盤相接的葉片上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)換成一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，使葉片和輪盤在邊界上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn) 一一對(duì)應(yīng)，由輪盤剛度矩陣和葉片的剛度矩陣組合成整個(gè)葉輪的總剛度矩陣，由輪盤的載 荷向量和葉片的載荷向量組合成整個(gè)葉輪的總載荷向量，由此獲得整個(gè)葉輪的平衡方程； 54 :求解S3獲得的整個(gè)葉輪的平衡方程，獲得輪盤各節(jié)點(diǎn)在葉片離心力載荷作用在下 的位移向量； 55 :將S2中計(jì)算得到的輪盤各節(jié)點(diǎn)在輪盤所受軸對(duì)稱載荷作用下的位移向量加上S4 中計(jì)算得到的輪盤對(duì)應(yīng)各節(jié)點(diǎn)在葉片離心力載荷作用下的位移向量得到整個(gè)葉輪的位移 向量； 56 :根據(jù)S5中計(jì)算得到的整個(gè)葉輪的位移向量，計(jì)算得出整個(gè)葉輪承受的應(yīng)力。
[0005] 優(yōu)選地，所述步驟S1中劃分葉輪葉片的方式是16節(jié)點(diǎn)6面體單元，劃分葉輪輪盤 的方式是8節(jié)點(diǎn)4邊形環(huán)單元。
[0006]優(yōu)選地，所述步驟S1中劃分葉輪葉片的方式是8節(jié)點(diǎn)6面體單元，劃分葉輪輪盤 的方式是4節(jié)點(diǎn)4邊形環(huán)單元。
[0007] 進(jìn)一步地，所述步驟S6中計(jì)算葉輪承受應(yīng)力的方法如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種整體葉輪強(qiáng)度有限元計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟： 51 :對(duì)葉輪葉片進(jìn)行3維有限元?jiǎng)澐?，?duì)葉輪輪盤進(jìn)行軸對(duì)稱有限元?jiǎng)澐?，使葉片和輪 盤在邊界上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)； 52 :計(jì)算輪盤剛度矩陣、輪盤各節(jié)點(diǎn)承受的軸對(duì)稱載荷，并根據(jù)輪盤平衡方程計(jì)算得到 輪盤各節(jié)點(diǎn)在軸對(duì)稱載荷作用下的位移向量； 53 :計(jì)算葉片剛度矩陣、葉片各節(jié)點(diǎn)所受的離心載荷，由此獲得葉片平衡方程，將與輪 盤相接的葉片上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)換成一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，使葉片和輪盤在邊界上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn) 一一對(duì)應(yīng)，由輪盤剛度矩陣和葉片的剛度矩陣組合成整個(gè)葉輪的總剛度矩陣，由輪盤的載 荷向量和葉片的載荷向量組合成整個(gè)葉輪的總載荷向量，由此獲得整個(gè)葉輪的平衡方程； 54 :求解S3獲得的整個(gè)葉輪的平衡方程，獲得輪盤各節(jié)點(diǎn)在葉片離心力載荷作用在下 的位移向量； 55 :將S2中計(jì)算得到的輪盤各節(jié)點(diǎn)在輪盤所受軸對(duì)稱載荷作用下的位移向量加上S4 中計(jì)算得到的輪盤對(duì)應(yīng)各節(jié)點(diǎn)在葉片離心力載荷作用下的位移向量得到整個(gè)葉輪的位移 向量； 56 :根據(jù)S5中計(jì)算得到的整個(gè)葉輪的位移向量，計(jì)算得出整個(gè)葉輪承受的應(yīng)力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體葉輪強(qiáng)度有限元計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟S1中 劃分葉輪葉片的方式是16節(jié)點(diǎn)6面體單元，劃分葉輪輪盤的方式是8節(jié)點(diǎn)4邊形環(huán)單元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體葉輪強(qiáng)度有限元計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟S1中 劃分葉輪葉片的方式是8節(jié)點(diǎn)6面體單元，劃分葉輪輪盤的方式是4節(jié)點(diǎn)4邊形環(huán)單元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體葉輪強(qiáng)度有限元計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟S6中 計(jì)算應(yīng)力的方法如下：
其中，a為整個(gè)葉輪承受的應(yīng)力，[D]為整個(gè)葉輪彈性矩陣，[5]為整個(gè)葉輪應(yīng)變矩陣， 4為整個(gè)葉輪內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的位移向量，％為整個(gè)葉輪邊界節(jié)點(diǎn)的位移向量。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種整體葉輪線彈性有限元計(jì)強(qiáng)度算方法，該方法對(duì)葉輪葉片進(jìn)行3維有限元網(wǎng)格劃分，對(duì)葉輪輪盤進(jìn)行軸對(duì)稱有限元網(wǎng)格劃分，計(jì)算輪盤剛度矩陣和載荷矩陣，得到輪盤平衡方程，計(jì)算葉片剛度矩陣和載荷矩陣，得到葉片平衡方程。將與輪盤相接的葉片上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)換成一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，使葉片和輪盤在邊界上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。由輪盤平衡方程和葉片平衡方程組合獲得葉輪系統(tǒng)方程，并求解得到葉片和輪盤的位移向量，計(jì)算輪盤的總位移向量以及葉片和輪盤應(yīng)力。本發(fā)明方法計(jì)算時(shí)間短，局部應(yīng)力集中處應(yīng)力計(jì)算精度提高。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號(hào)】CN104573178
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410714102
【發(fā)明人】蔡顯新, 李智, 唐鑫
【申請(qǐng)人】中國航空動(dòng)力機(jī)械研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月2日