斜裂纹旋转叶片动力学建模及振动响应分析

为分析航空发动机裂纹叶片的动力学特性,提高航空发动机的可靠性,尽可能避免灾难性事故的发生。本研究基于应变能释放率和Castigliano定理,结合Timoshenko梁理论,考虑裂纹角度的影响,推导了新的裂纹梁单元的应力强度因子与柔度矩阵,根据裂纹面在振动过程中的应力变化,提出了一种根据裂纹面接触区域来计算裂纹梁单元时变刚度的方法,建立了含呼吸效应的斜裂纹扭形叶片动力学模型。通过将本研究模型和ANSYS Solid186单元有限元模型得到的固有频率和振动响应进行对比,验证了所建动力学模型的有效性。结果表明:当裂纹角度从0°增加到80°时,固有频率增加了约3%,即随着裂纹角度的增加(裂纹尖端更靠近叶尖),裂纹叶片固有频率越大;同时,裂纹角度越大,旋转裂纹叶片的振动位移幅值越小,其频谱中常值分量及倍频处的幅值越小,并且第1阶共振状态下1.0倍频的幅值降低了约40%;本研究模型的动力学响应计算速度较ANSYS更快,提高了约22倍。