叶轮机振动模态分析理论及数值方法
某机高压涡轮叶片振动模态分析
某机高压涡轮叶片振动模态分析摘要：以某机高压涡轮工作叶片为研究对象，讨论其模态振动理论，采用UG建立叶片实体模型，利用有限元软件ANSYS Workbench对其进行模态分析，并与电动振动台测量结果进行对比，得到有限元分析结果具有一定的可靠性，为数值模拟振动测试数据提供一定的可信度依据，尤其对一些科研机种叶片的数值振动模态仿真分析提供了参考价值。
关键字：振动测试；模态分析；叶片；ANSYS Workbench引言叶片是航空发动机重要组成部分，工作时主要承受离心载荷、气动载荷、热载荷以及工况环境变化导致的交变载荷，工作中很容易发生故障，据统计振动故障占发动机总故障的15%，而叶片振动故障又占振动故障的75%。
而据粗略统计，我国现役航空发动机发生的重大事故中，涡轮叶片的断裂高达80%以上[1]。
因此叶片工作时的可靠性直接关系到整个发动机的运行安全性及使用寿命，为避免叶片振动故障的出现，在设计、制造及维修过程中对叶片进行振动模态分析，得到其固有频率、振型以及振动应力分析就显得尤其重要。
然而，高压涡轮叶片在发动机工作状态下直接对叶片进行频率及振动形态的观察及测试是比较困难甚至是不可能的。
在生产及制造中，一般只对叶片进行自由振动分析，测得其固有频率及振动形态。
单从使用角度来看，仅仅对叶片进行自由模态分析是不精确的，无法获得叶片全生命使用周期内的准确频率及振动形态。
本文首先在电动振动台ES-10-240上对高压涡轮叶片进行振动测试，得出其平均固有频率。
然后再UG中建立叶片实体模型，利用有限元软件ANSYS Workbench对其进行模态分析，对比有限元分析结果与试验结果。
在此基础上对高压涡轮叶片进行预应力模态分析，得到更准确的振动频率及振动形态，为高压涡轮叶片设计及加工提供一定的参考价值。
1 模态分析理论模态分析是结构动力学分析中最基础、也是最重的一种分析类型，其主要是用于计算结构的振动频率和振动形态，每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态阵型。
用模态分析测定发动机叶片振动特性
用模态分析测定发动机叶片振动特性作者：杨伟来源：《科学与财富》2011年第09期[摘要] 本文主要介绍了利用模态分析的方法，对发动机叶片进行振动特性分析。
重点介绍了利用锤击法测定某发动机1级涡轮叶片的模态参数。
详细分析了在模态试验中的各项工作以及容易引起测量误差的地方，并结合试验总结了一些在模态分析中的经验教训。
[关键词] 模态分析锤击静频振型传递函数固有频率激励一、前言在发动机的生产、研制和使用中，必须测定叶片振动特性参数。
叶片振动特性参数通常是指：叶片的静频、振型、阻尼和振动应力等。
用锤击法作结构振动的模态分析是近年来迅速发展起来的。
对叶片做锤击振动试验，首先要在叶片的叶身部分划线确定敲击点。
由于敲击点信息在数据处理后可以反映该点的振动位移，所以最好要避开节线。
一般情况下用锤击法作叶片静频参数测定，如单求频率和阻尼时，只要敲击一点并只测一点响应即可。
二、模态理论简述由振动理论可知：一个线性振动系统，当它按自身某一阶固有频率作自由谐振时，整个系统将具有确定的振动形态（简称振型或模态）。
所谓振动模态分析法，就是利用系统固有模态的正交性，对通常所选取的物理坐标进行线性变换，这个用模态坐标和模态参数所描述的各个独立方程，称为模态方程。
【1】模态分析的首要任务是要求出系统各阶的模态参数（例如系统的固有频率和振型；模态质量或模态刚度，以及模态阻尼等）。
一个具有N个自由度的线性振动系统，若不计及阻尼的影响，则其自由振动的运动微分方程的一般形式可以表示为：因此模态试验的目的是为模态参数识别提供可靠的频率响应函数或脉冲相应函数【1】。
三、模态试验模态试验测试系统主要由以下几个部分组成：激振部分、信号测量与数据采集部分、信号分析和频响函数估计部分。
3.1结构的安装进行模态试验的结构在实际的工作环境中，总处于一定的约束状态。
设置试验时，选择结构的支承方式首先考虑是否模拟其真实的约束状态。
通常用一种非常柔软的悬挂系统将被试结构支承起来，以模拟自由支承。
叶片模态分析
模态分析基本理论
模态分析的经典定义：将线性定常系统振动 微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标， 使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态 参数描述的独立方程，以便求出系统的模态 参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其 每列为模态振型。
模态分析基本理论
模态分析是机械结构振动特性分析的有效手 段，它通过分析结构的动特性建立结构在已 知激励条件下的响应预测模型，进而预测结 构在实际工作状态下的动力学特性。通常的 做法就是通过试验方法得到机械结构在冲击 h(t)下的响应H(ω)，构造出机械结构动特性的 频响函数矩阵，然后通过曲线拟合手段识别 结构的模态参数：模态频率、模态阻尼及模 态振型。
叶片的故障诊断和模态分析
叶片结构简述
汽轮机叶片是汽轮机的关键部件，它的加工量占总加工量的 ３５％，典型的叶片结构和在叶轮上的安装位置：
叶片损坏形式
损坏（报废）:
折断（Break)、裂纹（Crack) 扭曲（Distortion）、二次损坏（Secondary Damage）
损伤（轻度受损） 擦伤（Rubbing）、叶片锈蚀（Corrosion）、 开焊（Unweld）
叶片模态分析实例
三、激励与响应：采用脉冲力锤激励，用带 有力传感器的锤子敲击叶片各测点，施加力 脉冲。由于选用的加速度传感器体积小、重 量只有2．6g，其附加质量对叶片振动参数影 响很小，频响特性好。
叶片模态分析实例
四、模态分析：设置模态测量的参数，通过 双通道数据采集器采集到脉冲信号。经 CRAS(振动及动态信号采集分析系统软件)中 的MACRAS(模态分析软件)分析得到拟合曲 线，得出各阶的频率与对应的振型。
叶片模态分析实例
五、试验结果分析 六、结论：利用CRAS系统获得叶片各阶复 杂振动的活化振型，较容易找到叶片振动疲 劳位置，这有助于分析得出叶片断裂的原因， 是一种较精确、可靠和方便的应用于叶片振 动特性的研究分析方法。
叶轮的模态分析技术实例
转子的 『 占 １ 有振 动频率 是转速的 函数 ，转子本 身属 于连续弹性体 ， 因此根据转速的不 同， 有多 阶围有 振动
频率。在某阶频 率振动时各点位移做 出的图形 即为振 型。 根据 １ 作参数 （ 如 叶轮旋转频率 ） ， 选定 叶轮固有频 率允许范围 ，可以为初 步确定叶轮结构和避免振 动提
２ ． ， 模型 的建 立
本文使用 了 ｉ 维 参 数 化 建 模
后导入 ， 再进 行 网
卜 ＿
格 划分 冈 １ 为气 浮 机 叶 轮 的 模 型
视网 ， 叶 轮有 ８片
图 １ 三 维 几何 模 型
叶片， 有 一个 中心
孔与 轴相 连 ， 在 叶 片 设 有通 气腔
图 ２ 网格 生 成 ２ ． ２ 模 态 振 型
ｆ ｒ ａ （ － ＇ ｔ ｔ ｕＰ ｌ Ｔ １ ｒ ‘ ‘ ｈ ｌ ｌ １ ｊ ‘ ‘ ｝ ｌ Ｈ Ｐ Ｓ Ｓ Ｉ Ｉ Ｉ （ ￣ Ｉ ｌ ｔ ｍｅ ｔ ｈ （ ） ｄ ｏ ｈ ） ｇ ｙ｛ ｌ ｌ ’ ｏ ｆ ｆ ｓ ｈ ｏ ￣ Ｐ ｓ ｌ ｌ ｔ ｌ （ ’ ｔ ｕ ｔ ‘ ａ ｌ
需要解决 ” Ｊ ：
■ｉ
方 法 建寸 模型 ， 并对结构修改进行 预测 ， 其 最 大 的 优 － 鳅 越 — ■ ■ 凰 藤 鞣 ＿ ＿ — 飘 麟 嘲 删 ＿ 一 一 ： Ｉ
．
。
１
’
一
（ １ ） 模态信息在频域 是被截断的， 因此需 要考虑撼断
对精 度 所带 来 的影 响 。 （ ２ ） 模 态 模 型心 考 虑扭 转 自由度 的影 响 ， 然 Ｉ ｛ １ 于扭 转 模 态 测 试技 ｌ 术发 展 尚不 充 分 ，使得 模 型 中 往往 还 不能
叶轮叶片振动模态分析与实验研究挺好的
学位授予单位:武汉理工大学
1.学位论文刘淑华增压器压气机工作轮的模态分析与应用2003
该论文题目来源于中国北方机车车辆工业集团公司科技研究开发项目—"提高机车增压器可靠性的研究",论文内容系该研究项目中的主要工作,是很有实际意义和应用背景的课题.机车增压器是一种高速旋转机械,作为柴油机的关键部件,它直接影响柴油机的性能和可靠性,进而影响机车运行的安全、准时.针对某型号增压器在线路运行中曾发生过数起压气机工作轮(导风轮和压气机叶轮)叶片断裂故障,造成机车中途停车的重大事故.因此诊断压气机工作轮事故原因,并进行模态分析势在必行.该文利用大型有限元程序ANSYS5.7求解模态问题的模块分析了某涡轮增压器离心式压气机工作轮的振动特性.对ANSYS进行了二次开发,利用了ANSYS的ADPL语言,编制了压气机工作轮的有限元自动建模和分网程序.该程序适用于各型号的增压器压气机工作轮,能根据用户的需要迅速建立并划分出不同精度的六面体网格来.划分出的有限元网格模型可直接用于压气机工作轮强度、振频等计算.该程序解决了离心式压气机工作轮有限元计算中建模难,特别是六面体网格划分难的问题,大大缩短了计算的时间和难度.具有较强的工程适用性.该文计算了导风轮叶片、轮盘及压气机叶轮的自振频率,求出了压气机工作轮在静态和旋转状态下整体结构的自振频率、模态,并给出模态的彩色云图和振动模态的动画显示.通过共振Campbell图分析确定此轮盘在实际工作中的共振安全裕度,找出导风轮叶片断裂原因,最终提出有效的解决办法.上述计算结果与试验结叶片振动模态分析与实验研究
姓名:袁海峰
申请学位级别:硕士
专业:机械制造及其自动化
指导教师:谭跃刚
20100501
叶轮叶片振动模态分析与实验研究
作者:袁海峰
叶轮叶片振动模态分析与实验研究的开题报告
叶轮叶片振动模态分析与实验研究的开题报告【题目】叶轮叶片振动模态分析与实验研究【背景】随着机械制造技术的发展，叶轮作为一种普遍的能量转换元件，在各种机械设备中广泛应用。
然而，由于叶轮经常遭受较大的离心力和振动力，其工作时容易出现振动现象，对机器本身和周围环境产生负面影响，甚至会导致设备损坏或人员安全事故。
因此，对叶轮振动问题进行深入研究，找出其产生振动的影响因素和解决方法，便成为当前研究的热点。
【研究内容】本项研究的主要内容为叶轮叶片振动模态分析与实验研究，包括以下几个方面：1.叶轮叶片振动模态分析：利用有限元方法对叶轮进行建模，将其叶片等效为薄板，分析其阻尼、共振频率等振动特性，并对其振动模态进行研究。
2.叶轮振动实验研究：设计叶轮振动实验台，并进行振动实验，通过实验数据对模型进行验证和修正，研究叶轮在不同转速条件下振动特性。
3.叶轮叶片材料和结构的改进：根据振动分析和实验结果，优化叶轮叶背材料和叶片安装结构，尽可能降低振动幅值，提高叶轮工作的安全性和稳定性。
【研究意义】本研究对于提高叶轮工作的安全性和稳定性具有重要意义。
通过对叶轮叶片振动模态分析，可以深入了解其振动特性，为制定叶轮的设计标准和选用适当材料提供科学依据。
通过实验研究，可以验证和修正分析模型，提高研究的可靠性和准确性。
最终通过改进叶轮叶片材料和结构，可有效地解决叶轮振动问题，提高设备工作的效率和安全性。
【研究方法】本项研究的研究方法主要包括有限元分析法和振动实验。
1.有限元分析法：根据叶轮的几何形状和材料力学特性进行建模，并计算其振动模态和频率响应，分析其振动特性，并优化其叶背材料和结构。
2.振动实验：设计合适的叶轮振动实验台和实验方案，对叶轮在不同转速下进行振动实验，采集实验数据，通过与有限元分析结果进行对比和验证，提高研究的可靠性和准确性。
【预期成果】本项研究预期可以获得以下成果：1.建立叶轮叶片振动模态分析模型，分析其振动特性，并优化其叶背材料和结构。
汽轮机叶片自振频率与振型的测量方法研究-便携式振动分析仪
第23卷第5期电站系统工程V ol.23 No.5 2007年9月Power System Engineering Sep., 2007 文章编号：1005-006X(2007)05-0055-03汽轮机叶片自振频率与振型的测量方法研究*长沙理工大学能源与动力工程学院 晋风华摘要：汽轮机叶片自振频率的测量和振型的确定对于机组的安全运行具有重要的意义。
以前监测叶片的振动特性主要采用自振法和共振法两种，由于受仪器设备本身性能限制和人为因素的影响，测量精度不高，叶片振型判断困难。
为此研究了一套基于频谱分析仪的叶片自振频率与振型测量系统，测试结果表明，该方法测量结果准确，使用方便，可以实现汽轮机叶片频率与振型的测量。
关键词：汽轮机；叶片；振动；频率；振型中图分类号：TK268.+1 文献标识码：BResearch on Measuring Method of Self-vibration Frequency andVibration Mode of Steam Turbine BladesJIN Feng-huaAbstract: The measurement of self-vibration and determination of vibration mode for steam turbine blades is significant to the safe operation of the unit. Former monitoring of blades vibration characteristics mainly adopt self-vibration method and resonance. As limited by device itself and human elements, the measuring accuracy is not high and it is difficult to judge the vibration mode, thus, a set of measuring system used for blades self-vibration frequency and vibration mode based on spectrum analyzers is studied. The measuring results show that this method has correct measuring results, easy to use, can provide measurements for steam turbine blade frequency and vibration mode.Key words: steam turbine; blades; vibration; frequency; vibration mode汽轮机是一种复杂而精密的机构，它通过叶片将高温、高压蒸汽所具有的内能转换成机械能。
第五章汽轮机零件的强度校核-第七节叶轮振动
第五章汽轮机零件的强度校核-第七节叶轮振动第七节叶轮振动叶轮的动强度主要分析叶轮振动时叶轮临界转速和叶轮共振转速，以及讨论它们与⼯作转速避开的要求。
⼀、叶轮的据型正如本章第六节所指出的，作⽤在叶⽚上的⽓动裁荷是不均匀的，因⽽导致轴向⼒的变化，引起叶轮弯曲振动。
叶轮振动时总是带动叶⽚⼀起振动，实际上是叶轮、叶⽚弹性系统的振动，称为轮系振动。
习惯上把轮系振动仍称为叶轮振动。
叶轮振动也可能由主轴振动引起。
叶轮振动计算可根据圆板振动理论进⾏，这个问题是相当复杂的。
因此，下⾯只介绍叶轮振动的基本概念。
不转动叶轮的据型⼤致可归纳为四类：(1)⽆节径和节圆的振动叶轮振动时，整个轮⾯沿铀向作同⽅向振动，因此轮⾯上既⽆不振动的节径，也⽆不振动的节圆，如图5．7．1(a)所⽰。
图5．7．1 不转动叶轮的振型(2)有节径的振动叶轮振动时，在轮⾯上出现不振动的节径，节径两侧轮⾯上各点在轴向的位移是相反的(⽤正负号表⽰)，图5．7．1(b)与图5．7．1(c)分别表⽰⼀条和两条节径的振动，节径越多，振动频率越⾼。
(3)有节圆的振动叶轮振动时，轮⾯上出现不振动的节圆，节圆两侧各点的轴向位移相反，如图5．7．1(d)、(e)、(f)所⽰。
节圆越多，振动频率也越⾼。
(4)有节径和节圆的振动叶轮振动时，在轮⾯上既有节径，⼜有节圆，如图(g)、(h)、(i)所⽰。
上述有节径的振动统称为扇型振动，⽽有节圆的振动称为伞型振动。
振动频率最低的是⽆节径和节圆的振动，其次是只有⼀条节径的振动。
汽轮机运⾏实践表明扇型振动是最危险的振动。
⼆、不旋转叶轮的扇型振动现在分析具有i 条节径的不旋转叶轮的扇型振动，如图5.7.2所⽰。
图（a ）中表⽰出三条节径，在极坐标(?、γ)系中，轮⾯上各点振动的挠度⽅程如下： s i n ()c o s (p y R i ?ωτ= （5.7.1）式中 R ——根据半径确定的叶轮振型函数；——由某条节径算起的⾓度；τ——时间。