Расчетно-экспериментальные исследования собственных частот и форм колебаний лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов
Автор: Гринев М.А., Аношкин А.Н., Писарев П.В., Шипунов Г.С., Нихамкин М.Ш., Балакирев А.А., Конев И.П., Головкин А.Ю.
Статья в выпуске: 4, 2016 года.
Бесплатный доступ
Объектом исследования является лопатка спрямляющего аппарата (ЛСА) из полимерных композиционных материалов (ПКМ) современного авиационного двигателя. Лопатка из ПКМ обеспечивает снижение веса до 40 % по сравнению с металлическим аналогом. В процессе эксплуатации лопатка подвергается воздействию интенсивных аэродинамических сил. Для отстройки конструкции лопатки от резонансных частот необходимо проведение её модального анализа, результаты которого представлены в настоящей работе. Экспериментальные исследования проводились методом трехкомпонентной сканирующей лазерной виброметрии с использованием программно-аппаратного комплекса PSV-400-3D. Описана методика экспериментального модального анализа ЛСА из ПКМ в диапазоне частот до 6,4 кГц. Экспериментальные исследования проводились на трех натурных образцах ЛСА, полностью соответствующих техническим требованием и изготовленных по одному технологическому процессу. Представлены экспериментальные оценки средних значений и коэффициентов вариации собственных частот ЛСА из ПКМ и проиллюстрированы основные собственные формы колебаний. Численный расчет частот и форм ЛСА выполнялся с использованием математической модели, описывающей геометрию, схему укладки и анизотропию армирующих слоев. Расчет проводился методом конечных элементов в программном пакете ANSYS Workbench. Результаты численного моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными. Совпадение расчетных и экспериментальных собственных частот и форм колебаний свидетельствует о том, что жесткость натурной ЛСА при наличии возможных отклонений и разбросов параметров технологического процесса, геометрии выкроек слоев и механических свойств материалов соответствует проектируемой. В последующих исследованиях разработанная модель позволяет оценить изменение амплитудно-частотной характеристики ЛСА при вариации её схемы армирования и конструктивных особенностей исполнения, а лабораторный модальный анализ может использоваться для контроля стабильности геометрических размеров и механических свойств материала слоев.
Лопатка спрямляющего аппарата, собственные частоты, формы колебаний, полимерные композиционные материалы, углепластик, модальный анализ, экспериментальные исследования, метод конечных элементов, жесткость
Короткий адрес: https://sciup.org/146211636
IDR: 146211636 | DOI: 10.15593/perm.mech/2016.4.07
Список литературы Расчетно-экспериментальные исследования собственных частот и форм колебаний лопатки спрямляющего аппарата из полимерных композиционных материалов
- Иноземцев А.А., Нихамкин М.Ш., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2. -М.: shape. © 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved. Машиностроение, 2008. -368 с.
- Технологии и задачи механики композиционных материалов для создания лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя/А.Н. Аношкин, В.Ю. Зуйко, Г.С. Шипунов, А.А. Третьяков//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2014. -№ 4. -С. 5-44 DOI: 10.15593/perm.mech/2014.4.01
- Компьютерное моделирование механического поведения композитной лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя/М.А. Гринёв, А.Н. Аношкин, П.В. Писарев, В.Ю. Зуйко, Г.С. Шипунов//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2015. -№ 3. -С. 38-51 DOI: 10.15593/perm.mech/2015.3.04
- Исследование НДС и оценка прочности композитной лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя/М.А. Гринёв, А.Н. Аношкин, П.В. Писарев, В.Ю. Зуйко, Г.С. Шипунов//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2015. -№ 4. -С. 293-307 DOI: 10.15593/perm.mech/2015.4.17
- Carsten C. Aero-mechanical optimisation of a structural fan outlet guide vane//Structural and multidisciplinary optimization. -2011. -Vol. 44. -No. 1. -P. 125-136 DOI: 10.1007/s00158-010-0617-4
- Mistuning Identification and Model Updating of an Industrial Blisk/D. Laxalde, F. Thouverez, J.-J. Sinou, J.-P. Lombard, S. Baumhauer//International Journal of Rotating Machinery.V.2007. Hindawi Publishing Corp. Article ID 17289. -10 p.
- Bently D.E. Fundamentals of Rotating Machinery Diagnostics//Bently Pressurized Bearing Company. -2002. -764 p
- Griffith D.T., Paquette J.A. Panel resonant behavior of wind turbine blades//(2010) Collection of Technical Papers -AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference. -2010. -art. no. 2010-2741.
- Movaghghar A., Lvov G.I. A method of estimating wind turbine blade fatigue life and damage using continuum damage mechanics//International Journal of Damage Mechanics. -2012. -Vol. 21 (6). -P. 810-821.
- Numerical validation of a finite element thin-walled beam model of a composite wind turbine blade/D. Cárdenas, A.A. Escárpita, H. Elizalde, J.J. Aguirre, H. Ahuett, P. Marzocca, O. Probst//Wind Energy. -2012. -Vol. 15 (2). -P. 203-223.
- Kumar M., Khan G.S., Shakher C. Measurement of elastic and thermal properties of composite materials using digital speckle pattern interferometry//Proceedings of SPIE. -The International Society for Optical Engineering, 9660. -2015, art. no. 966011 DOI: 10.1117/12.2196390
- Structural Health Monitoring of composite material typical of wind turbine blades by novelty detection on vibration response/N. Dervilis, R. Barthorpe, W.J. Staszewski, K. Worden//Key Engineering Materials. -2012. -Vol. 518. -P. 319-327. Cited 1 time DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.518.319
- Material characterization and modal analysis of composite plates via digital image correlation/J. Chuang, C.W. Ray, R. Albertani, B.A. Batten//International SAMPE Technical Conference. -2012. -12 p.
- Structural Health Monitoring of composite material typical of wind turbine blades by novelty detection on vibration response/N. Dervilis, R. Barthorpe, W.J. Staszewski, K. Worden//Key Engineering Materials. -2012. -Vol. 518. -P. 319-327.
- Бернс В.А., Долгополов А.В., Маринин Д.А. Модальный анализ конструкций по результатам испытаний их составных частей//Докл. Акад. наук высшей школы Российской Федерации. -2014. -Vol. 1. -С. 24-42
- Heylen W., Lamens S., Sas P. Modal Analyses. Theory and Testing. -Leven Univ. Belgium, 2003. -325 p.
- Ewins D.J. Modal Testing: Theory, Practice and Application//2nd edition. Baldock, Research Studies Press LTD, 2000.
- Собственные частоты и формы колебаний полой лопатки вентилятора ГТД/А.А. Иноземцев, М.Ш. Нихамкин, Л.В. Воронов, И.Л. Гладкий, А.Ю. Головкин, Б.П. Болотов//Авиационная промышленность. -2010. -№ 3. -С. 8-12.
- Методика экспериментального модального анализа лопаток и рабочих колес газотурбинных двигателей/А.А. Иноземцев, М.Ш. Нихамкин, Л.В. Воронов, А.Б. Сенкевич, А.Ю. Головкин, Б.П. Болотов//Тяжелое машиностроение. -2010 -№ 11. -С. 2-6.
- Абовский Н.П., Андреев Н.П., Деруга А.П. Вариационные принципы теории упругости и теории оболочек. -М.: Наука, 1978. -287 с.
