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叶片共振疲劳与颤振疲劳分析
时间:2020-05-07 14:21 点击次数:
来源:CAE技术联盟微信公众号(ID:caejslm)
绝大多数叶片都是由于振动疲劳而损坏,从叶片的振动现象上看,叶片有强迫振动疲劳,共振疲劳与颤振疲劳。三者虽都属于振动疲劳,有其共同性质,然而由于各自的振动状态不一样,危及叶片的疲劳程度以及疲劳裂纹发展的快慢与结果也都不一样。其中叶片以出现共振疲劳为多,较严重,颤振疲劳虽然少,但危害性最大。
 
1强迫振动疲劳
叶片工作时一直受有强迫激振力的作用,只是激振力有大有小,频率或高或低。
 
一般情况在小激振力作用下,叶片具有较小的振动应力,即使在很高的循环次数下面,叶片也不致于疲劳损坏。振动系统在周期性的外力作用下,其所发生的振动称为受迫振动。
 
2共振疲劳
叶片的共振疲劳是所研究的重点,发动机中绝大多数叶片都是共振疲劳损伤故障。叶片共振时,振幅很大,叶片内部产生较大的振动应力。
 
共振疲劳的断口特征是,疲劳裂纹表面有一个疲劳源,这个疲劳源可以在叶片截面最大应力处,或者是近于最大应力区由叶片表面缺陷所引起。疲劳源形成后,自源点向外发展形成贝壳形的疲劳环(有的也称为海滩形疲劳环)。
 
叶片的共振疲劳损坏还必须具备两个条件,即需要达到一定交变应力,还需要振到一定的时间,即循环次数n。通常对材料进行疲劳实验可以获得疲劳寿命线。
 
3颤振疲劳
颤振疲劳是由于叶片产生颤振所引起,颤振疲劳又称为低循环次数的疲劳,以此区别于高循环次数的共振疲劳,颤振疲劳寿命n≤104以下。
 
叶片出现颤振,其特点是大振幅、大振动应力,低循环疲劳寿命并伴随有“哨叫”声。这种大振幅,大应力振幅下的振动,使叶片材料已进入弹塑性变形,加速了叶片疲劳的扩展速度,也加速了叶片的疲劳损伤,致使叶片在很短时间内产生严重裂纹甚至断折。
 
4排除叶片振动故障的方法
掌握叶片振动问题,其目的在于解决叶片振动及振动故障,防止或排除叶片振动的方法有三种:
 
一是从解决叶片振动内因——自振频率着手,称为调频法,以避开共振;
 
二是从解决叶片振动的外因——激振频率着手,称为调激振频率法,以避开共振;
 
三是增大叶片抗振强度(如阻尼力)和采用减振结构法。
 
5. 叶片的调频法
 
叶片的调频是从内因着手,改变叶片的自振频率,以避开共振。调频对解决共振疲劳较为有效,对于解决颤叶片调频可以使叶片自振频率调高,也可以调低,一般使叶片频率调高为好。因为在同样激振力作用下,叶片频率高,意味着刚性好,振副小振动应力就相应变小。
 
叶片自振频率计算:
 
调频就是改变上述各参数以改变自振频率值。
 
 

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