航空发动机风扇转子模态分析案例

1摘要：

采用三维软件对航空发动机风扇转子系统进行实体建模，模型导入 ANSYS Workbench 中进行有预应力的模态分析。提取了前6阶固有频率及模态振型进行了分析和处理，发现了模态振型的顺序和规律；研究了与之相对应转子系统的坎贝尔图，结合发动机的工作转速和振动安全裕度，比较风扇转子工作转速与临界转速，进行共振风险分析。

2引言：

随着航空发动机涵道比和推重比的不断加强，风扇转子的质量在整个发动机中所占比例也越来越大。任何的质量不均匀和叶片失效事件都会造成风扇转子不平衡转动，转子系统一旦产生重大的结构载荷和振动，将严重影响航空发动机的安全性和可靠性。在工作转速范围内，临界转速应当偏离工作转速，尽量避免转子在受到某种激励之后产生的共振给转子带来的严重损坏。转子系统的各阶固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。模态分析可以预估这些参数，得到的计算仿真数据可以为风扇转子系统振动安全裕度的计算提供理论依据。

本文基于工业上广泛使用的制图软件 SolidWorks对航空发动机风扇转子系统（包含一个轮 盘和一个主轴的装配体）进行三维实体建模，并导入ANSYS Workbench中进行有预应力（即离心预应力效应、陀螺力矩效应以及旋转软化效应）的模态分析，得到其固有频率和振型，其结果可为转子的动态设计提供参考，对改善转子的动态特性具有重要意义。

3案例描述：

现有一款航空发动机风扇转子在一系列的转速条件下运行，请在这些转速工况下进行模态分析，求解每一种工况下的前6阶模态振型和固有频率，并且输出坎贝尔图得到转子的临界转速。

4模型：

几何模型如下图所示，轴向有较多的圆角和倒角过渡，为达到较高的网格质量故采用切分处理（不同颜色代表不同零件）。

图1 模型

图2 模型正视图

网格模型如下图。中间规则的轴为六面体网格，两端有复杂特征的部分为四面体。

材料选择默认结构钢。

本文主要介绍仿真分析方法，请勿纠结网格和材料问题。

图3 网格

5连接：

本案例涉及到两种连接方式如下图4，包括绑定接触、和轴承支撑连接。绑定接触连接为各个轴段之间的连接，轴承支撑连接布置在轴线上三个位置，位置如图2所示。（悬空的三个圆盘只是轴承支撑连接标识，并不是几何模型）。轴承支撑参数设置如下图4，设置了轴向刚度阻尼，径向刚度阻尼。

图4 连接设置

6分析设置和载荷及约束

设置模态提取阶数6，打开陀螺效应，打开坎贝尔图开关，设计点数输入10。如下图5所示。

图5 分析设置

设置10个旋转角速度0.1,100,250,400,500,542,700,850,1000,1100。如下图6所示。

图6 转速设置

设置约束条件。对轴左右两个两端的端面进行约束，允许X方向转动，其他自由度全部设置为0。注意在模态分析中，0位移约束才有效，非零位移约束会被忽略。

图7 约束设置

7结果

求解完成，如下图可显示10个转速工况下得到的模态分析结果。每个工况求了前6阶模态，即一共求得了60个模态结果。在进行振型提取时分享个小技巧能极大的提高后处理效率：在柱状频率图中鼠标右击选择Select All，然后柱状频率图会被选中显示灰色，此时再次右击鼠标选择Create Mode Shape Result, 然后Solution模型树下面就会自动输出每一阶模态振型。

图8结果截图

有些同学对坎贝尔图不太明白，这里大致解释下：由于陀螺效应，旋转结构的特征频率(固有频率)与其旋转速度相关，计算不同旋转速度时的频率，可以得到各个模态频率随转动速度的变化曲线，称之为坎贝尔曲线。更多信息自行百度去哦。

本案例结果中坎贝尔图如下图9所示。横坐标表示设计转速，纵坐标指固有频率，不同颜色的曲线代表不同阶数，Ratio设置为1时，Ration曲线与各阶频率曲线的交点就是临界转速Critical Speed。

图9  Campbell Diagram坎贝尔图

求解结果显示在1100rad/s范围内发现两个临界转速718.61rad/s和740.37rad/s，故该转子工作在这两个极限转速附近时很容易发生共振。各阶曲线较为平缓表明这里陀螺效应对转子特征频率影响不是很大。

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