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裂纹叶片动态特性与疲劳试验监测系统研究

作　者: 丁镇军
导　师: 纪国宜
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 工程力学
关键词: 疲劳裂纹动态特性有限元法固有频率谐响应疲劳试验
分类号: O346.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 110次
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内容摘要

叶片是航空发动机中最薄弱件和关键件,其故障率极高。据统计振动故障率占发动机中总故障率的60%以上,而叶片故障又占振动故障的70%以上。因此,叶片的疲劳试验对于叶片的寿命估计至关重要。本文首先利用等效刚度和等效柔度建立了裂纹叶片的振动微分方程,由此推导出裂纹叶片的固有频率等特性的理论解。在此基础上考虑叶片的非线性变形的三维有限元法建立等直叶片的三维模型,研究了疲劳裂纹对叶片的固有频率及受迫振动响应的影响。结果表明:裂纹深度和位置对叶片频率影响较大,裂纹越深,固有频率越低;当裂纹深度不变,裂纹位置远离叶片根部时,一阶固有频率将会随之增加。裂纹不仅使叶片固有频率下降,还引起受迫振动响应的非线性特征。在Ansys中建立了发动机叶片模型,并对裂纹叶片进行了谐响应及共振等动力学分析。裂纹的存在导致叶片谐响应的变化。裂纹位置不变,谐响应幅值随裂纹深度的增加而增加;深度一定时,谐响应幅值随裂纹远离叶根而降低。同时,裂纹还使得叶片响应的相位发生变化。这就为叶片疲劳试验监测系统的建立提供了依据。最后,根据所得到的理论与实验的结果,用Visual C++编写了基于NI设备的叶片疲劳试验监测系统。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-20
  1.1 选题背景及依据  11-13
  1.2 国内外研究现状  13-15
    1.2.1 国外的研究现状  13-15
    1.2.2 国内的研究现状  15
  1.3 结构损伤检测方法  15-17
    1.3.1 局部损伤识别方法  15-16
    1.3.2 全局损伤识别方法  16-17
  1.4 基于模态参数的损伤识别  17-19
    1.4.1 基于刚度变化的模态识别  18
    1.4.2 基于结构固有频率变化的损伤识别技术  18
    1.4.3 基于柔度矩阵的损伤识别和定位方法  18-19
  1.5 本文的内容安排  19-20
第二章裂纹叶片理论分析  20-32
  2.1 等效刚度及等效柔度  20-22
    2.1.1 单面裂纹的等效刚度与等效柔度  20-21
    2.1.2 双面裂纹的等效刚度与等效柔度  21-22
  2.2 裂纹叶片的固有频率  22-26
    2.2.1 等直叶片的固有频率  22-25
    2.2.2 变截面的叶片的固有频率  25-26
  2.3 叶片的动频  26-29
  2.4 裂纹叶片强迫振动的谐响应  29-32
第三章等直叶片振动特性的研究  32-43
  3.1 参数化语言PCL 简介  32-33
  3.2 等直叶片有限元模型  33-34
    3.2.1 裂纹叶片  33
    3.2.2 基于Patran PCL 的裂纹叶片有限元模型  33-34
  3.3 裂纹对叶片固有频率的影响  34-38
  3.4 裂纹对叶片强迫振动的影响  38-40
    3.4.1 方波开合函数  38-39
    3.4.2 余弦开合函数  39
    3.4.3 裂纹叶片的强迫振动响应的分析  39-40
  3.5 实验研究  40-42
    3.5.1 实验简介  40
    3.5.2 实验结果  40-42
  3.6 本章小结  42-43
第四章航空发动机叶片分析  43-62
  4.1 参数化语言APDL 简介  43
  4.2 叶片有限元模型  43-46
    4.2.1 叶片参数  43
    4.2.2 基于参数化语言APDL 的裂纹叶片有限元模型  43-45
    4.2.3 叶片裂纹参数  45-46
  4.3 叶片动力学分析  46-57
    4.3.1 裂纹参数对叶片固有频率的影响  46-49
    4.3.2 裂纹叶片谐响应分析  49-53
    4.3.3 叶片共振特性分析  53-57
  4.4 考虑旋转软化和应力刚化对叶片动态特性的影响  57-61
    4.4.1 旋转软化和应力刚化  57-59
    4.4.2 旋转软化和应力刚化对动态特性的影响  59-61
  4.5 本章小结  61-62
第五章叶片疲劳试验监测系统的研究与设计  62-72
  5.1 GDI+编程基础  62
  5.2 系统的设计  62-68
    5.2.1 系统基本情况和所需设备  62-63
    5.2.2 系统采集及响应分析的设计  63-64
    5.2.3 系统主界面  64
    5.2.4 通道参数设计  64-66
    5.2.5 测量参数模块设计  66
    5.2.6 波形显示模块设计  66-68
    5.2.7 系统流程框图  68
  5.3 疲劳试验系统的测试  68-71
    5.3.1 叶片测频  69
    5.3.2 数据分析  69-70
    5.3.3 疲劳实验  70-71
  5.4 本章小结  71-72
第六章总结与展望  72-74
  6.1 论文的主要工作成果  72-73
  6.2 进一步的研究方向  73-74
参考文献  74-78
致谢  78-79
在学期间的研究成果及发表的学术论文  79

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