增压器涡轮叶片设计及模态分析
４ 内燃机与配件 ２０１２年第１期
增压器涡轮叶片设计及模态分析
Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｏｆ Ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ Ｉｍｐｅｌｌｅｒ ａｎｄ Ｍｏｄａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ
杨帆胡国良 黄幼林
（中北大学）
（摘要］本篇文章介绍了内燃机径流式废气涡轮增压器叶片三维设计方案及有限元分析。该涡
轮叶片采用经验设计法进行设计，通过ＣＡＤ和ＰＲ０／Ｅ等三维建模软件绘出其工程图，并导入 ＡＮＳＹＳ对其进行有限元网格剖分，再加载边界条件对其进行模态分析．以确保符合材料的热强
度，有足够的强度和刚度，具有良好的工艺性。对于分析叶片的变形原因具有一定的参考价值。
［关键词］增压器 涡轮叶片 三维建模ＡＮＳＹＳ模态分析
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｉｍｐｅｌｌｅｒ Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ＡＮＳＹＳ Ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ
０ 引言
在内燃机的发展过程中．涡轮增压技术的应用
可以提高充气密度，不仅几成，甚至几倍增加功率，
增加最大扭矩，提高扭矩储备，同时还可以改善热
效率，提高经济性，减少排气尾气中的ＨＣ、ＣＯ以及 碳烟颗粒等有害成分，降低噪声。柴油机采用涡轮
增压已经越来越成为一种大的趋势。同时涡轮增压 器处在一个高温高压的工作环境中．增压器废气涡
轮端的温度在６００度以上，叶片受到脉冲气流的冲
击力。容易造成结构振动和疲劳。既要使叶片适应
恶劣工况，又要尽量减少叶片质量以提高增压器效
率，在这种情况下，如何提高对叶轮进行合理性设
计成为当前对涡轮增压器研究的主要技术点。
１ 叶片叶身造型流程
１．１ 多项式构造叶型中弧线 从增压器涡轮叶片的设计过程中可以看出，直
接的３Ｄ叶片成型仍存在困难，目前的叶片设计都
是在２Ｄ叶型优化成型的基础上，进行３Ｄ径向积叠
实现的。２Ｄ叶型的参数化造型方法一般是先采用圆
弧或样条曲线来定义叶型的前后缘。叶型的内弧和
背弧有两种常用的定义方法：一种定义方法是直接
用多段曲线定义叶型的内弧和背弧。另一种方法是
用多段曲线分别定义叶型的中弧线和厚度分布，然
后再通过坐标变换得到叶型内弧和背弧的坐标。常
用的定义叶型的曲线有：ＮＵＲＢＳ、圆弧、椭圆弧、多项 式曲线、包络线等¨Ｊ。本文章采用多项式定义叶型中
弧线和厚度分布的方法构造增压器涡轮叶片叶型。
多项式曲线具有简单的代数表达式．曲线光
滑，不仅能保证在设计空问的连续性，且能保证其
一阶和二阶导数的连续．适用于叶轮机械叶型的型
面特点［２１。
多项式曲线中包括ｎ＋１个未知系数，欲求解多
项式表达式，只需利用已知条件构建一个包括ｎ＋１
个方程的方程组，就可以求解出多项式未知系数的
值，得到该多项式的表达式。将中弧线冲最大弯度
处分成两段，分别采用一条三次多项式曲线来构
造，其定义如下：
ｙｌ＝Ｃ１０＋Ｃｌｌｘ＋Ｃ１２Ｘ ＋Ｃｌ３ｘ ｘＥ［０，Ｘ ］
ｙ２＝Ｃ２ｏ＋Ｃ２１ｘ＋Ｃ２２Ｘ ＋Ｃ２３Ｘ ｘｅ［ｘ ，Ｂ】
可见，每个三次多项式中有四个未知系数，因
而需要四个条件建立一个封闭的方程组来求解。
对于中弧线前半段，采用中弧线起始点Ｑ 的坐标
（０，０）和该点的斜率ｔａｎ（ｐ ）、最大弯度位置处的
坐标（ｘ ，ｙ～）和斜率ｔａｎ（ｐ ）带入定义式，得
到一个包含四个方程的方程组，如式（ｉ）；对于中弧
线后半段，采用中弧线终止点Ｑ：的坐标（ｘ ，ｙ ）和该
点的斜率ｔａｎ（ｐ ）、最大弯度位置处的坐标（ｘ一，
ｙ一）和斜率ｔａｎ（ｐ ）带人定义式也得到一个四方程
的方程组，如式（ｉｉ）：
１２ 内燃机与配件 ２０１２年第ｌ期
面，约为１６２．６７ＭＰａ。通过对活塞各危险部位疲劳安 全系数计算，活塞的材料强度满足发动机的要求；
通过对活塞强度预测评价可知．活塞材料强度能满
足增压柴油机在正常运行状态下的可靠性要求。
（２）通过对活塞的温度场分析可知，活塞的最
高温度为３４３．６℃，出现在燃烧室喉口边缘活塞温度 从顶部到底部的温度变化明显，燃气进入活塞的大 部分热量都是从活塞的环槽区域流走；活塞温度满 足活塞材料设计要求。
（３）最大径向变形出现在活塞的头部，为０．４０７ｒａｍ， 活塞头部和裙部的变形在配合间隙设计值范围内
（活塞和缸套在活塞头部位置的间隙为０．８９ ｍｍ，不
含配缸间隙）。 （４）通过对活塞强度预测评价可知，活塞材料
强度能满足ＩＳＬｅ增压柴油机在正常运行状态下的 可靠性要求，活塞头部和裙部的变形也在配合间隙
设计值范围内。
通过以上分析，ＩＳＬｅ活塞取消铜套后，经过对
活塞销孔改进优化设计，活塞销孑Ｌ部位的应力和变 形满足活塞设计要求．ＩＳＬｅ活塞取消铜套设计方案
可行；取消铜套后的ＩＳＬｅ活塞经过在市场上验证， 没有出现活塞销孑Ｌ失效故障，用户反应良好。 参考文献
『１】刘世英等．销孑Ｌ结构设计对活塞可靠性影响的研究『Ｊ］．内 燃机丁程．第２８卷第１期，２００７． ［２】白敏丽，朱国朝，陈家骅，张志千．内燃机燃烧室瞬态导热 有限元计算网格剖分规则研究．内燃机Ｔ程，２０００． ［３］白敏丽，蒋惠强，陈家骅．发动机活塞组２缸套整体耦合 系统瞬态温度场数值模拟．小型内燃机，１９９４，２２． 【４］周先辉．活塞有限元分析 华北丁学院学报，１９９８，１９ ［５】佟景伟．在温度和机械载荷作用下活塞应力与变形的三 维有限元分析『Ｊ】．内燃机学报，１９９５，１３（２）：１２３～１３１． 【６】薛明德．柴油机活塞的温度场、热变形与应力三维有限元 分析『Ｊ］．兵工学报，２００１（２）：１ １—１４． ［７］邱晓玲．柴油机活塞温度场测量及降温措施．机械工业出 版社 １９８９． ［８］苏洪吉．车用柴油机的活塞设计研究．汽车科技，１９９８（６）． １９Ｊ翟鹏等．车用高负荷活塞异形销孔结构发展趋势及加Ｔ 技术研究．汽车技术，２００６，３． ［１０］赵耀如．活塞损坏及其考核．经验交流，１９９８（２）．
作者简介：张岗，男，高级Ｔ程师，主要从事产品ＣＡＥ分 析和产品失效分析研究。
（上接第５页）
从图可以看出涡轮叶片的第一阶振型表现为１ 弯，最大振动应力在叶片的进气边处；第二阶振型表 现为１弯，最大振动应力在叶片的出气边最高处：第 三阶振型表现为１弯１扭．最大振动应力在垂直于 叶片的进气边处；第四阶振型表现为２弯２扭，最大 振动应力在叶片的进气边和叶片中部：第五阶振型 为３弯２扭，最大振动应力在叶片的进气边和出气
边均有出现
２．３增压器涡轮叶片的共振特性分析 增压器涡轮叶片共１０个。涡轮的激振频率为 （７０００／６０）１０ ｎ（ｎ为正整数），从而得到涡轮的激
振频率为１１６６ｎ Ｈｚ，即是：１１６６ Ｈｚ、２３３２ Ｈｚ、３４９８
Ｈｚ ４６６４ Ｈｚ ５８３０ Ｈｚ ６９９６ Ｈｚ ８１６２ Ｈｚ ９３３３ Ｈｚ、
１０５００ Ｈｚ、１１６６７ Ｈｚ、１２８３３ Ｈｚ、１４０００ Ｈｚ、１５１６６
Ｈｚ、１６３３３ Ｈｚ、１７５００ Ｈｚ、１８６６７ Ｈｚ、１９８３３ Ｈｚ、２１０００ Ｈｚ……。涡轮叶片的前５阶固有频率见表。把涡轮 的激振频率与涡轮叶片的前８阶固有频率进行对照
分析后可知，在工作转速范围内，该涡轮叶片存在着
共振，当激振力的频率为１４０００ Ｈｚ、１６３３３ Ｈｚ时，涡 轮叶片发生五阶、六阶共振。叶片共振很容易造成 叶片的损坏，这说明增压器在工作转速下，叶片发生 共振的可能性比较大，即其工作可靠性比较低。解
决叶片共振的有效方法是：改变叶片厚度，并尽量减
少叶片的不均匀度，以及避免叶片的激振频率落在 其共振频率范围内。
３ 总结
增压器涡轮叶片设计是发动机中涡轮部件设
计的重要部分．其设计的优劣直接关系到涡轮工作
的效率。其工作环境是高温、高压和高速，承受的载
荷主要有：气动载荷、离心载荷和热载荷，叶片设计
具有广泛的发展空间和前景。 参考文献
［１］苏士甄等．叶轮机械原理．清华大学出版社．１９９１，３：３７— ３３８ ［２】杨锡宝，张有正。一类具有形状参数的二次三角多项式曲 线．浙江丁业大学学报．２００４ ￣３２（３）
作者简介：杨帆，男，１９８６年生，中北大学硕士研究生，主 要研究方向为发动机总体技术及结构动态设计。
基于ANSYS的压气机叶轮振动特性有限元仿真分析
１２ 机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第２期 ２０１２年２月
文章编号：１００１—３９９７（２０１２）０２—００１２—０２
基于ＡＮＳＹＳ的压气机叶轮振动特性有限元仿真分析水
，黄新忠赵俊生 （中北大学机械工程与自动化学院，太原０３００５１）
Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ
ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
ＨＵＡＮＧ Ｘｉｎ－ｚｈｏｎｇ，ＺＨＡＯ Ｊｕｎ－ｓｈｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏａｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５ １，Ｃｈｉｎａ）
【摘要】车用涡轮增压器的压气机叶轮常常因为振动而导致破坏，对压气机叶轮进行模态分析是
避免叶轮与激振频率发生共振的常用手段，能有效避免因发生共振而导致的叶轮破坏问题。利用ＡＮ— ＳＹＳ软件，采用子结构分析方法对压气机叶轮的中低阶固有频率进行了数值仿真计算，获得了不同转速
和不同节径时的频率，并根据计算结果绘制了Ｃａｍｐｂｅｌｌ图，找出了与压气机叶轮固有频率产生共振的
转速，为压气机叶轮的优化设计提供了依据，同时说明采用子结构分析的方法可以较精确地获得整体
模型的低阶固有频率解。
关键词：压气机叶轮；振动特性，Ｉ模态分析；子结构 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ ｉｓ ｏｆｔｅｎ ｄａｍａｇｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，
ｗｈｉｌｅ ｍｏｄｅｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆｃｏｍｍｏｎ ｍｅａｎ￥ｔｏ ａｖｏｉｄ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ
增压器涡轮壳零件产品概述
增压器涡轮壳零件产品概述
增压器涡轮壳零件是增压器的重要组成部分，主要用于驱动增压器的涡轮转动。涡轮壳零件的设计和材料选择对于增压器的性能和可靠性有着重要的影响。本文将介绍增压器涡轮壳零件的基本概述，包括其功能、结构和材料等方面的内容。
增压器涡轮壳零件的功能主要是将高温高压的废气能量转换为涡轮转动的动能，从而实现增压器的增压效果。涡轮壳零件一般由进气口、涡轮叶片、出气口和外壳等部分组成。进气口将废气引导进涡轮壳内，使其与涡轮叶片相互作用，产生推力将涡轮转动。通过涡轮的转动，增压器将进气压力增大，从而提高发动机的输出功率和燃烧效率。
涡轮壳零件的结构设计需要考虑几个关键因素。首先，涡轮叶片的数量和形状需要经过仔细的计算和优化，以实现最佳的流体动力学效应。其次，壳体的结构需要有足够的强度和刚度，以承受高温高压工况下的力和热应力。另外，涡轮壳内的表面涂层需要具备良好的耐热和耐磨性能，以延长涡轮壳的使用寿命。
在涡轮壳零件的材料选择方面，需要考虑其耐高温和耐腐蚀性能。一般来说，涡轮壳零件的材料选择为铸造合金或高温合金，如铝合金、钛合金和镍基高温合金等。这些材料具有优良的高温强度和耐腐蚀性能，能够满足涡轮壳在高温高压环境下的工作要求。
除了功能、结构和材料方面的设计考虑，增压器涡轮壳零件的制造工艺也是关键的一环。一般来说，涡轮壳零件采用精密铸造或CNC加工工艺进行制造。精密铸造工艺能够实现复杂形状的涡轮壳零件的生产，而CNC加工工艺则能够实现涡轮壳零件的精度控制和加工效率的提高。 总之，增压器涡轮壳零件作为增压器的重要组成部分，对其性能和可靠性有着重要的影响。其功能是将高温高压废气能量转换为涡轮转动的动能，从而实现增压效果。结构设计需要考虑涡轮叶片的形状和数量，以及壳体的强度和刚度。材料选择需要考虑高温和耐腐蚀性能，一般选择铸造合金或高温合金。制造工艺一般采用精密铸造或CNC加工工艺。这些方面的综合考虑能够实现优异的涡轮壳零件性能，提高增压器的工作效率和可靠性。
航空发动机燃气涡轮工作叶片阻尼片设计
航空发动机燃气涡轮工作叶片阻尼片设计
聂建豪1,2
摘 要：在航空发动机详细设计阶段中，为了减少燃气涡轮工作叶片的振动应力，设计了阻尼片结构。在具体设计中，需要确定阻尼片的壁厚。本文采用了工程计算方法，得出了壁厚与阻尼片阻尼作用的相关关系。计算结果显示，如果壁厚小于某一数值时，阻尼片的阻尼作用会随转速的增加先减弱而后增强，而当壁厚大于该数值时，阻尼片的阻尼作用会随转速的增加而不断增强。
关键词：航空发动机；涡轮工作叶片；阻尼片；壁厚；设计
叶片是航空发动机中重要零件之一，其所处的工作环境是十分严酷的，需要承受较高的离心载荷、气动载荷、高温以及振动的交变负荷，因此叶片容易产生故障。所有的发动机在研制和使用过程中，几乎都发生过叶片振动问题，例如涡喷七甲发动机一级涡轮叶片因为振动问题而出现断裂事故。据有关资料表明，叶片振动故障约占发动机结构故障的1/3，诸如裂纹、折断等叶片故障事故，绝大部分是因叶片振动引起的，因此长期以来叶片振动问题一直是发动机的一个普遍而又严重的问题，必须引起足够重视[1]。
航空发动机的激振力形式是多种多样的，大体分为3类：周期激振力、随机激振力及介入两者之间的不稳定激振力。对于叶片而言，周期激振力，它间接作用在叶片上；气体尾流激励力，它直接作用在叶片上。这些激振力作用在叶片上将使叶片作强迫振动[2]。
为了防止叶片的大应力疲劳破坏，除了采取避开共振等措施外，由于叶片工作环境的特殊性，增加干摩擦阻尼结构（凸肩、叶冠和缘板摩擦阻尼器等）是减少叶片共振疲劳破坏的一种有效方法，也是目前各国普遍采取的办法。近20多年来，人们对带摩擦阻尼器的叶片系统进行了大量的研究，但由于问题的复杂性，多年来人们研究的重点主要集中在计算模型的建立上[3]。
工程上，人们关心的另一个主要的问题是如何利用摩擦阻尼器使叶片的响应尽可能地降低，即摩擦阻尼器的优化问题。摩擦阻尼器的优化应包括结构的优化。
在具体设计中，为了降低涡轮工作叶片振动应力，设计了阻尼片结构，其中需要确定阻尼片的壁厚，本文使用工程计算确定了壁厚与阻尼效果的关系，为阻尼片工程设计及其优化提供了依据。
某航空发动机涡轮盘和叶片的强度分析与寿命计算
分类号
密级学校代码
学号
西北工业大学
硕士学位论文Ｙ８５７１３８
１０６９９
０３６１０４１０７
题目基堑窒塞塑扭遇捡盘查！士苎鲍
堡廛盆堑当查金盐簋
作者盟蛐
指导教师至三氐专业技术职务塾筮
学科（专业）垫拭遮盐垄堡逾
答辩日期２ＱＱ鱼１３
学位授予日期——两北工业大学硕士学位论文摘要
摘要
涡轮盘与涡轮叶片是航空发动机十分重要的涡轮转子部件，承受着复杂的循环热载荷及机械载荷，为了保证发动机和飞机在服役期间的稳定性和呵靠性，追切需要对涡轮盘和叶片的强度进行计算，并对其寿命加以预测和控制。本文
基于某民航发动机延寿项目的需要，对其涡轮盘和叶片的强度与寿命预估进行了研究。
首先，总结了典型飞行任务剖面的压缩处理方法，针对ＣＦＭ５６发动机的１９个起落循环实测载荷数据，统计了转速的雨流计数循环以及排气温度等载荷
状态的持续时间，在分析了次循环对发动机造成损伤情况的基础上，去除了对循环疲劳损伤影响不大的无效幅值，得到了此民航发动机的实际工作循环载荷谱。此载荷谱是涡轮转子部件强度和寿命计算的基础，并可为以后编制该发动机的加速任务试车谱提供依据。
然后，在ＡＮＳＹＳ软件环境中建立了此发动机涡轮盘、涡轮叶片的三维有限元分析模型。基于热弹塑性有限元和接触非线性有限元分析理论，对各个飞行状态下的涡轮盘、叶片及榫头一榫槽连接件进行了循环应力（应变）计算。
找出关键件的疲劳断裂危险点，确定了危险部位的应力剖面，并在此基础上根
据ＥＧＤ一３规定的静强度准则对涡轮盘与叶片的静强度进行了校核。最后，通过前述应力（应变）的分析计算结果和材料的疲劳特性，分别选
用ｓ—Ｎ曲线法和Ｍａｎｓｏｎ．Ｃｏｆｆｉｎ的Ｍｏｒｒｏｗ修正式法，对该发动机涡轮盘进行了疲劳损伤与寿命的计算。用两种方法得出的计算结果基本相同，表明了计算方法选择的正确性和计算结果的可靠性。针对涡轮叶片处于复杂应力状态的情
况，分别采用四种不同的等效应力合成准则参照对比，探索其合成方法。推导了涡轮叶片的拉森一米勒寿命计算式，并基于此计算方法编写了寿命计算程序，对叶片的疲劳损伤及持久寿命进行了计算。
(完整版)ANSYS模态分析实例和详细过程
均匀直杆的子空间法模态分析
1.模态分析的定义及其应用
模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。
ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。
ANSYS提供的模态提取方法有:子空间法(subspace)、分块法(block lancets),缩减法(reduced/householder)、动态提取法(power dynamics)、非对称法(unsymmetric),阻尼法(damped), QR阻尼法(QR damped)等，大多数分析都可使用子空间法、分块法、缩减法。
ANSYS的模态分析是线形分析，任何非线性特性，例如塑性、接触单元等，即使被定义了也将被忽略。
2.模态分析操作过程
一个典型的模态分析过程主要包括建模、模态求解、扩展模态以及观察结果四个步骤。
(1).建模
模态分析的建模过程与其他分析类型的建模过程是类似的，主要包括定义单元类型、
单元实常数、材料性质、建立几何模型以及划分有限元网格等基本步骤。
(2).施加载荷和求解
包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项，并进行固有频率的求解等。
指定分析类型，Main Menu- Solution-Analysis Type-New Analysis,选择Modal。
指定分析选项，Main Menu-Solution-Analysis Type-Analysis Options，选择MODOPT(模态提取方法〕，设置模态提取数量MXPAND.
风力机叶片设计及模态分析
上海海洋大学硕士学位论文
IV
1. Wind turbine blade design
Based on the aerodynamics of wind turbine, some parameters such
as the rated power, the rated wind speed and the wind energy utilization
coefficient can be calculated, and other parameters such as the diameter
of the blade can be calculated. For some gas blade aerodynamic
parameters, such as length, torsion angle and other parameters to
calculate the used design method. In this paper, the aerodynamic shape
parameters are calculated by using the simplified method, the Glauert
design method and the Wilson design method. Get the airfoil chord and
twist angle, and carries on the comparison. After analysis the results of
Wilson is simplified design method and Glauert design method is more
accurate.
2. Aerodynamic characteristics analysis of blade airfoil
Gambit software was used to establish the calculation model of the
模态分析
§1.1模态分析的定义 及其应用
模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，它们是 承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、 谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析 过程。
ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等的 模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。
ANSYS产品家族中的模态分析是一个线性分析。任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略。ANSYS提供了七种模态提取方法，它们分别是子空间法、分块Lanczos法、PowerDynamics法、 缩减法、非对称法、阻尼法和QR阻尼法。阻尼法和 QR阻尼法允许在结构中存在阻尼。后面将详细介绍模态提取方法。
§1.2模态分析中用到的命令
模态分析使用所有其它分析类型相同的命令来建模和进行分析。同样，无论进行何种类型的分析，均可从用户图形 界面（GUI）上选择等效于命令的菜单选项来建模和求解问题。
后面的“模态分析实例（命令流或批处理方式）”将给出进行该实例模态分析时要输入的命令（手工或以批处理 方式运行ANSYS时）。而“模态分析实例（GUI方式）” 则给出了以从ANSYS GUI中选择菜单选项方式进行同一实例
分析的步骤。（要想了解如何使用命令和GUI选项建模，请参阅<>）。<>中有更详细的按字母顺序列出的ANSYS命令说明。
§1.3模态提取方法
典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题：
其中：
=刚度矩阵, =第 阶模态的振型向量（特征向量）,
=第 阶模态的固有频率（ 是特征值）,
=质量矩阵。
有许多数值方法可用于求解上面的方程。ANSYS提供了7种方法模态提取方法，下面分别进行讨论。
基于ABAQUS的某型发动机涡轮叶片静强度及振动特性分析
长沙航空职业技术学院学报JOURNAL OF CHANGSHA AERONAUTICAL VOCATIONAL AND TECHNICAL COLLEGE
第21卷第1期2021年3月Vol.21 No.1Mar. 2021
-6-DOI:10.13829/ki.issn.1671-9654.2021.01.002
基于ＡＢＡＱＵＳ的某型发动机涡轮叶片静强度
及振动特性分析
周际鹏，陈清阳，罗铁彬
（国营长虹机械厂，广西 桂林 ５４１０００）
摘要：应用ABAQUS有限元分析软件对某型发动机涡轮叶片的静强度和振动特性进行分析，得到了涡轮叶
片的应力和位移分布云图，验证了涡轮叶片静强度的可靠性，得出涡轮叶片的各阶固有频率及振型，并绘制坎贝
尔共振曲线图，计算涡轮叶片在发动机各工况下的共振裕度，对其发生共振的可能性进行了分析。根据静强度和
振动特性的仿真结果，对涡轮叶片的维护修理和发动机试车等方面提出了相应建议。
关键词：涡轮叶片；静强度；振动特性；共振
中图分类号：V215 文献标识码：A 文章编号：1671-9654（2021）01-0006-04
Analysis of Static Strength and Vibration Characteristics of Engine Turbine Blades Based on
ABAQUS
ZHOU Ji-peng, CHEN Qing-yang, LUO Tie-bin
（State-owned Changhong Machinery Factory, Guilin Guangxi 541000）Abstract: ABAQUS finite element analysis software is used to analyze the static strength and vibration
characteristics of engine turbine blade. The stress and displacement distribution nephogram of the turbine
有预应力模态分析
有预应力情况的模态分析
有预应力模态分析用于计算有预应力结构的固有频率和模态，如旋转的涡轮叶片的模态分析。除了首先要通过进行静力分析把预应力加到结构上外，有预应力模态分析的过程和常规模态分析基本上一样：
1.建模并获取打开预应力效应［PSTRES,ON］的静力分析解。静力分析中的集中质量矩阵的设置［LUMPM］必须与随后的有预应力模态分析中的集中质量矩阵设置一致。“静力学分析”中描述了如何进行静力学分析。
2.重新进入求解器并获取模态分析解，注意打开预应力效应选项（再用一次命令PRSTES,ON）。另外，在静力学分析中生成的文件Jobname.EMAT和Jobname.ESAV必须都存在。
3.扩展模态并在后处理器中观察它们。
步骤1也可以是一个瞬态分析，但应当记住在需要的时间点保存.EMAT和.ESAV文件。
§1.11 大变形预应力模态分析
可以在大变形静力学分析后进行预应力模态分析，以便计算高度变形结构的固有频率和振型。除用PSOLVE命令而不是SOLVE命令执行模态分析求解，其他过程与有预应力模态分析过程一致，参见下面列出的简单命令流。另外，必须用UPCOORD命令修正坐标以得到正确的应力，使用 EMATWRITE 命令指定写出 File.EMAT 文件。
注意—该过程需要单元材料和上一次静力分析得到得单元载荷矢量（例如，压力、温度和加速度载荷）。如果( 利用命令 LVSCALE ) 指定，这些载荷将传递给后续的模态叠加分析。
! Initial, large deflection static analysis
!
/PREP7
...
FINISH
/SOLU
ANTYPE,STATIC! Static analysis
NLGEOM,ON! Large deflection analysis
PSTRES,ON! Flag to calculate the prestress matrix
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。