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基于光纤光栅测量的旋转叶片应力应变分析与实验研究

李正光  
【摘要】: 本文主要通过对风扇叶片进行CAD逆向建模,然后将得到的模型导入有限元分析软件进行应力应变、裂纹扩展以及疲劳寿命的分析以及风扇叶片光栅测试的方法对叶片高速运转时的应力分布和疲劳特性进行研究。CAD逆向建模以实物测量图像数据为基础,通过把测量数据输入Pro/e进行重新造型,从而在CAD平台中还原“实物原貌”(再现实物的零件模型)。然后把Pro/e中生成的零件模型输入ANSYS,并严格按照叶片旋转时的边界条件对其进行应力应变、裂纹扩展以及疲劳寿命的分析。由此可以从理论上得到叶片的应力分布状况和疲劳裂纹易产生的部位,为下一步的光栅测试实验、光栅传感器的布置以及以后的优化设计提供了理论参考。 首先,简要介绍了风扇叶片的主要研究方法以及课题的背景及其研究意义。 其次,简单介绍了论文工作必须的有限元分析的理论知识和疲劳寿命分析的理论方法如名义应力法、局部应力应变法等,以及裂纹扩展的断裂力学的相关理论如YU裂纹模型。 再者,对叶片进行逆向建模,并将其导入ANSYS进行了应力应变、疲劳寿命、裂纹扩展的分析:并依据分析结果画出叶片的疲劳寿命曲线S-N、裂纹扩展率与应力曲线da/dn-S曲线等。同时也进行实验研究,利用光栅传感器进行分布式测量,分析叶片在高速旋转时的应力大小、疲劳寿命。 最后,将有限元分析的结果与实验测量的数据进行对比,从而确定叶片的危险部位,同时也证明了光栅测量旋转叶片应力应变的可靠性。 通过光栅测试实验得到了叶片在实际运转情况下应力大小、裂纹扩展下的应力分布以及疲劳寿命。将有限元分析所得到的结果和光栅测试实验的数据对比分析,二者结果一致,尤其在应力大小和应力分布方面表现的更为吻合。从而确定了叶片高速旋转时的容易产生裂纹的危险部位以及叶片的疲劳寿命,并找出了影响叶片疲劳寿命的主要因素即局部应力集中部位,同时也验证了光栅测量方法的可行性和逆向建模的可靠性,并为以后的叶片的优化设计和在线监测提供了理论依据。


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