高速旋轉(zhuǎn)葉片的外物損傷行為研究.pdf

1、高速旋轉(zhuǎn)的葉輪機(jī)械葉片常受到隨氣流吸入的金屬物、砂石、冰雹等外物的損傷，從而使葉輪機(jī)械性能下降，影響正常使用，甚至導(dǎo)致災(zāi)難性事故。本文結(jié)合國內(nèi)外葉片外物損傷的實驗研究及數(shù)值分析方面的成果，借助現(xiàn)代先進(jìn)的計算技術(shù)、分析方法，針對外物的形狀、材料、葉片的運動及結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力等不同撞擊環(huán)境因素的影響下，高速旋轉(zhuǎn)葉片的外物損傷問題，進(jìn)行研究和討論，旨在建立一個較完整、系統(tǒng)的高速旋轉(zhuǎn)葉片外物損傷的分析框架和分析方法，并取得了一些有用的結(jié)論，從而為高速

2、旋轉(zhuǎn)葉片的結(jié)構(gòu)抗撞設(shè)計與優(yōu)化提供相應(yīng)的參考依據(jù)。
　　 首先對平板葉片進(jìn)氣邊的鋼球撞擊試驗在LS-DYNA中進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得可靠的相關(guān)參數(shù)。綜合運用顯、隱式有限元算法進(jìn)行了葉片進(jìn)氣邊受不同形狀外物撞擊的瞬態(tài)顯式分析和受撞擊后葉片中殘余應(yīng)力場的靜態(tài)計算，得出了不同的外物形狀對葉片受撞擊后的損傷的影響規(guī)律?；谀芰糠治龅姆椒ê桶鍤だ碚搶θ~片曲率對葉片外物撞擊損傷的相關(guān)特征的影響進(jìn)行分析，重點研究了葉片變形能與葉片曲率之間的關(guān)系。

3、采用不同曲率半徑的懸臂板模擬葉片，研究了外物撞擊不同曲率的葉片凹面和凸面的撞擊特征，獲得了葉片曲率半徑對葉片外物撞擊損傷的一些影響規(guī)律。
　　 分別采用能量守恒、彈性應(yīng)力波的傳播及基本水動力學(xué)的原理分析了硬體、超彈性軟體及塑性軟體外物撞擊葉片時的撞擊載荷。對超彈性軟體(橡膠)和塑性軟體(明膠)低速撞擊剛性墻進(jìn)行數(shù)值模擬與驗證。并對這兩種軟體撞擊葉片進(jìn)氣邊進(jìn)行了數(shù)值分析，仿真結(jié)果表明，撞擊過程中這兩種軟體外物均出現(xiàn)了被切割的現(xiàn)象，

4、并且在同一撞擊條件下，橡膠撞擊明顯比明膠撞擊對葉片的損傷大。在相同的初始撞擊能量及入射角度下，以砂石、橡膠和明膠分別作為硬體、超彈性軟體及塑性軟體外物進(jìn)行外物撞擊葉片的數(shù)值分析與比較，得到了相同撞擊條件下，葉片受不同材料的外物撞擊的有關(guān)撞擊特征規(guī)律。采用顯．隱式的轉(zhuǎn)換算法，對葉片受不同材料的外物撞擊損傷前后的模態(tài)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明外物損傷對葉片的固有頻率影響較大，對其模態(tài)振型影響不大。
　　 基于Lamb問題的應(yīng)力波分析理

5、論對葉片外物撞擊瞬間，葉片內(nèi)激發(fā)的應(yīng)力波種類、先后順序及其對葉片可能產(chǎn)生的損傷進(jìn)行分析；結(jié)合數(shù)值方法對葉片中應(yīng)力波的傳播與作用特征及其影響的因素(撞擊載荷模型和應(yīng)變率效應(yīng))進(jìn)行了研究，結(jié)果表明撞擊載荷模型的不同，導(dǎo)致葉片所受的入射應(yīng)力波的幅值和波長不一樣；應(yīng)變率效應(yīng)的存在，使得葉片中應(yīng)力波的幅值明顯提高，而衰減速度減小，反射應(yīng)力波幅值也相應(yīng)地變大。
　　 基于終點彈道學(xué)中運動靶的彈丸非理想撞擊的分析原理，建立了旋轉(zhuǎn)運動的葉片受外

6、物撞擊損傷的分析模型，研究了葉片的旋轉(zhuǎn)運動對葉片受外物損傷的影響規(guī)律。建立了結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力(主要是離心預(yù)應(yīng)力)作用下葉片外物撞擊的非線性動力學(xué)模型。提出采用動力松弛的方法在撞擊分析之前對葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和位移場的初始化。結(jié)合應(yīng)力波傳播的相關(guān)理論，對不同轉(zhuǎn)速下的實際葉片模型進(jìn)行外物撞擊的數(shù)值分析，獲得了不同離心預(yù)載作用下外物損傷的一些規(guī)律。最后，以M20螺栓和橡膠殘骸分別作為硬體外物和軟體外物的代表，進(jìn)行多個旋轉(zhuǎn)葉片的外物撞擊損傷分析，比較了