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 | УДК: 629.7.036.34; | DOI: 10.15593/perm.mech/2016.4.07
Experimental and numerical research of the dynamic response of composite outlet guide vane for aircraft jet engine
The object of this research is composite outlet guide vane (OGV) for advanced aircraft engine. The weight reduction due to using of polymer composite materials (PCM) instead of the metal in OGV can reach 40 %. The vane is exposed to intense aerodynamic loads during operation. The modal analysis is needed for the detuning a structure’s resonance frequency. The results of such analysis are presented in this work. Experimental technique of modal analysis for composite OGV in frequency range up to 6,4 kHz is described in paper. Experimental study was carried out for three full-scale OGV samples with the help of three-component scanning laser vibrometer using PSV-400-3D hardware. As the results the mean values and coefficients of variation of natural frequencies were obtained and the main natural modes were shown. The numerical simulation of this problem was carried out by finite element method (FEM) with ANSYS Workbench software using high-performance computing complex. The technological scheme of laying out of anisotropic plies was taken into account in the developed OGV model. The results of numerical simulations of natural frequencies and modes were compared with the test data. Good correlation was found. This fact confirmed that the stiffness of a full-scale OGV, manufactured with various possible fluctuations of process parameters and mechanical properties of materials, meets the required conditions. For further researches the developed numerical model allows to study the effect of reinforcing scheme and other design parameters changing on OGV frequency response. Laboratory modal analysis can be used to control the dimensional stability and material mechanical properties.
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.
