ANSYS双层金属机匣包容能力数值分析(2)
致 谢 52
参考文献53
1 引言
本篇毕业设计论文的主题是研究航空发动机在运行时，发动机叶片高速旋转，当采用不同的双层金属机匣进行保护时，对飞出叶片的包容性影响情况进行数值仿真研究。
1.1 叶片包容性问题的背景介绍
航空飞行器在运行时，发动机高速运转以提供飞行的动力，然而在空中运行时，飞机发生故障时或遭遇气流时可能产生不可预知的振动、材料物理特性的不足或者是到达疲劳极限等原因都可能使叶片产生磨损甚至断裂，飞行时断裂的叶片会碰击其它叶片、撞击机匣甚至打穿、飞出机匣。虽然近年来航空技术广泛应用，但航空事故时有发生，由民航的转子故障导致的飞行事故的统计结果中可发现：故障主要发生在飞机起飞和爬升的阶段，其中导致故障的主要原因是叶片失效。[9]如果叶片将机匣击穿、飞出机匣，会破坏飞行器的其他部件或伤及机组人员和飞行区域中的路面人群，发生无法挽回的破坏。随着现代航空器的飞速发展，其性能不断提高、飞行状况愈加平稳、同事飞行速度也迅速加快……这代表着对发动机的性能要求愈来愈高，但与此同时，如果增加机匣厚度也就意着要增加机匣的重量，要承载推动多余的重量要使用更多其它能源，会造成能源和经济的巨大消耗；若采用高性能的新型复合材料，往往意着高昂的造价，也并不理想。却仍要发动机同时保持适当的重量比、安全稳固的保护系统和快速高效的作用功效。在机匣包容性的安全问题的重要性如此凸显的情况下，要保障飞行不仅稳固安全，而且经济高效，这要求研究人员应既能保证叶片断裂时机匣安全包容断叶，也能使机匣的重量和经济性问题控制在合理范围内。
1.2 国内外研究成果
1.3 ANSYS/LS-DYNA软件介绍
LS-DYNA是著名的通用显示非线性动力分析软件，可以求解各种几何模型非线性、材料模型非线性和接触非线性的问题。
LS-DYNA最初是1976年在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Lab.）由J.O.Hallquist主持开发的软件，开发的目的是为了提供武器设计分析软件。随后多年不断地创新升级，推出许多功能更完善的新版本，应用范围不断扩大，计算精度和准确度也精益求精。其与ANSYS的合作市具有决定性历史意义的重大事件，1996年，LS-DYNA与ANSYS软件整合退出了ANSYS/LS-DYNA的第一个版本，可以更方便快捷地进行建模和后护理。
一个完整的ANSYS/LS-DYNA显示动力分析包括四个环节：问题的规划、前处理、求解和后处理。
图1.1 ANSYS/LS-DYNA分析流程
1.4 本课题研究的问题及拟采用的方法
本毕业设计主要研究不同的双层金属机匣（层间间隙不同、厚薄机匣层内外顺序不同、两层机匣的厚度分配不同）对叶片的包容性，进行模拟和数值分析。
1.4.1 机匣及叶片模型的简化
本次毕业设计中，将包裹叶片的机匣模型简化为圆筒外壳，发动机叶片简化为平板形叶片（仅模拟单个叶片的包容情况，不考虑叶片相互间的作用），并设 为叶片的角速度， 是叶片质心处的线速度，假设叶片质心处无径向速度，简图如下：
图1.2 机匣叶片简化模型图
1.4.2 叶片断裂分析
发动机运行时，叶片在机匣内高速旋转，容易引起断裂，产生拉断的主要原因是离心力的作用。在离心力的作用下，平板叶片在高速旋转时会在切口处容易被拉断而飞出。所以当用理论估算旋转断裂的临界值时，可以采用第一强度理论的断裂准则来进行预测：当 时发生断裂。