● 摘要
叶片颤振是指弹性体叶片在气动力作用下形成的气弹耦合振动。属于流体诱发的自激振动。叶片颤振一旦发作，就会产生大振幅的剧烈振动，使叶片在短时间内断裂，造成严重后果。近年来，在航空燃气涡轮发动机中，由于颤振疲劳而损坏叶片的故障时有发生,颤振导致的低循环疲劳故障是航空发动机最严重的问题之一，因而对此展开研究具有重要实际意义。定量描述颤振的方法主要有能量法和特征值法。气动力学者一般倾向于采用能量法，而结构动力学者倾向于采用特征值法。能量法的基本思路为：叶片颤振作为一种自激振动，将由于叶片的初始微小振动而不断地从周围气流中吸取能量，但在振动过程中，又必然由于机械阻尼的存在而消耗能量。因此可根据叶片在一个振动周期内，从外界所得到的能量为正或为负来判别颤振发作与否。本文基于能量法原理，采用弱耦合的方法，利用通用有限元软件ANSYS和CFD软件FLUENT计算非定常气动力和气动功，从而实现叶片颤振的数值预测。计算中发展了三维线性插值方法，对CSD/CFD耦合界面进行了插值并对结果进行了比较分析。采用FLUENT中的动网格技术，针对NASA 67转子风扇叶片，模拟了在不同振型和不同出口反压条件下叶片振动引起的非定常流场，得到了叶片等效模态气动阻尼比，并分析了其变化规律及其影响。通过傅里叶变换得到了非定常气动力与叶片振动位移之间的相位差关系，对激波、相位差、叶片振幅和非定常气动力幅值变化对气动功的影响进行了比较分析，得出了一些较为深入的机理解释和结论。基于能量法原理，采用弱耦合方法进行叶轮机械叶片气弹稳定性研究对进一步认识航空发动叶片机颤振的机理从而预测颤振边界有一定的意义。