隨著對葉輪機械產(chǎn)品性能要求的提高狗准，葉尖切線速度越來越大克锣、剛度越來越低，葉片顫振的可能性相比以往也大大增加腔长，而我們知道葉片顫振會最終導(dǎo)致葉片斷裂失效等嚴重事故袭祟。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，流固耦合分析方法已成為葉片顫振分析方法的主流捞附，葉片的流固耦合分析中榕酒，需要對三維非定常流場和葉片的瞬態(tài)響應(yīng)進行時間推進求解，而且葉片振動改變了流場邊界故俐，需要采用動網(wǎng)格技術(shù)對流場網(wǎng)格進行實時更新想鹰。

基于上述流程，傳統(tǒng)的葉片流固耦合顫振分析方法通常會面臨以下挑戰(zhàn)：

1. 葉片全三維非定常仿真求解計算資源消耗極大药版、計算時間極長辑舷，極大的制約了該方法應(yīng)用于實際葉輪機械產(chǎn)品的研發(fā)流程中；

2. 葉片雙向流固耦合仿真需要同時對三維流場和固體振動進行瞬態(tài)耦合求解計算槽片，收斂非常困難何缓，難以獲得有用的分析結(jié)果；

3. CFD軟件與結(jié)構(gòu)軟件之間數(shù)據(jù)交互復(fù)雜还栓、操作繁瑣黑声，不利于工作繁重的工程技術(shù)人員快速學(xué)習(xí)和使用。

針對上述難點氓暖，Ansys基于葉輪機械專用流體仿真軟件CFX和結(jié)構(gòu)仿真軟件Mechanical推出了能高效失能、準(zhǔn)確的分析和預(yù)測葉片顫振解決方案，該方案在求解效率账姜、準(zhǔn)確性和操作易用性等方面居于商業(yè)軟件前列饵臀，非常適用于實際葉輪機械產(chǎn)品的葉片顫振分析和預(yù)測。本文將針對葉片顫振分析插涛，對流固雙向耦合解耦的方法進行著重介紹鹉灼，更多受迫振動分析方法將在Ansys中國官方微信公眾號中陸續(xù)發(fā)布。

由于雙向流固耦合計算成本過高叉弱，不適用于工況點眾多的實際葉片顫振分析敏困，需要將其解耦為單向流固耦合。解耦方式分為2種：

1. 顫振分析庐冤，先進行FEM模態(tài)分析莽浴，模態(tài)分析結(jié)果作為流體瞬態(tài)分析的邊界條件計算氣體對振動的阻尼作用.

2. 受迫振動分析破罐，先進行流體瞬態(tài)分析得到葉片氣動激勵邊界條件，再基于FEM計算葉片的振動和應(yīng)力斑匪。

流體仿真軟件基于初始穩(wěn)態(tài)仿真流場結(jié)果和導(dǎo)入的葉片模態(tài)分析結(jié)果呐籽，進行全三維瞬態(tài)流場仿真，最終得到葉片顫振分析和預(yù)測結(jié)果以指導(dǎo)設(shè)計蚀瘸〗频基于Ansys軟件的顫振分析基本流程如下圖所示：

Ansys讓葉輪機械仿真提升新高度

Ansys葉輪機械解決方案在針對葉片顫振分析應(yīng)用領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢，通過采用該方案實現(xiàn)求解精度高贮勃、速度快等優(yōu)勢贪惹，并且能針對是否發(fā)生顫振做出準(zhǔn)確判斷，操作界面統(tǒng)一寂嘉，便于廣大工程師們學(xué)習(xí)操作奏瞬。

基于諧波平衡法的流體瞬態(tài)過程分析

基于FEM模態(tài)分析提供的葉片振動頻率和振幅輸入文件，葉輪機械仿真軟件CFX可基于諧波平衡法（Harmonic Analysis）對葉片流體瞬態(tài)分析過程進行阻尼系數(shù)的計算泉孩。流體的瞬態(tài)數(shù)值模擬大致可分為時域和頻域兩種方法硼端，其中時域方法對應(yīng)于CFX中的Transient分析方法，也是目前商用CFD軟件處理瞬態(tài)問題的常用方法寓搬，其準(zhǔn)確性較高但是耗時極長珍昨；CFX軟件獨特的瞬態(tài)葉柵模型（Transient Blade Row）可通過頻域方法，采用非線性頻域技術(shù)——諧波平衡法盲妈，用以模擬葉片顫振分析中的非定常流動问锋。

該方法兼具了時域方法的精確性和線性模型的計算效率，將非定常瞬態(tài)分析問題轉(zhuǎn)化為近似于穩(wěn)態(tài)的分析過程棠蹬，在保證求解精度的同時大大提高了求解效率描琉，其計算效率高達傳統(tǒng)非定常瞬態(tài)分析的200-300倍以上！

采用CFX的3階諧波平衡分析方法（HA）和全環(huán)瞬態(tài)分析方法（Transient）同時對某葉片進行顫振分析偷颜，可見不同節(jié)徑數(shù)下計算所得的阻尼系數(shù)基本完全相同穴厅，而諧波平衡法（HA方法）的計算效率則接近于穩(wěn)態(tài)分析，是全環(huán)瞬態(tài)分析方法的數(shù)百倍：

基于能量法的顫振預(yù)測與判斷

能量法是一種廣泛用于判斷葉片氣動彈性穩(wěn)定性的方法旦坷，通過評估葉片與其擾流之間的能量傳遞方向進行葉片顫振特性的預(yù)測谒娩。為了實現(xiàn)這一方法CFX引入了氣動阻尼系數(shù)Damping Factor：

其中：

表征每個振動周期內(nèi)氣流對葉片所作的氣動功，當(dāng)該值為正值時表明氣流對葉片做正功并會阻礙葉片振動庶鸡，反之則會發(fā)生顫振。氣動阻尼系數(shù)為每個振動周期內(nèi)氣動功的無量綱化處理結(jié)果放余，當(dāng)阻尼系數(shù)為正則不會發(fā)生顫振沈宛，為負則會發(fā)生顫振。

基于Ansys Workbench的集成操作流程

流固耦合分析涉及幾何模型前處理征炼、流體/結(jié)構(gòu)仿真軟件的操作使用和數(shù)據(jù)傳遞析既，對于設(shè)計任務(wù)繁重的工程師來說無疑是一個不小的挑戰(zhàn)躬贡。基于Ansys Workbench集成操作平臺，用戶可在該平臺搭建整個顫振分析的流程模板并同時進行參數(shù)優(yōu)化和產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化眼坏，具有無可比擬的易用性拂玻；相關(guān)數(shù)據(jù)可以在各個模塊間自動傳遞，大大減少了工程師的工作量宰译，工作流程可以保存為固定模板檐蚜，即使是沒經(jīng)驗的初級工程師也可很快掌握葉片顫振分析流程和方法。

航發(fā)客戶成功應(yīng)用案例

Ansys顫振分析解決方案已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用和認可沿侈。目前該解決方案已在中國航發(fā)集團等國內(nèi)高端葉輪機械研發(fā)單位展開使用闯第，此外，也在燃氣輪機缀拭、汽輪機和渦輪增壓器等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用咳短。下圖為采用Ansys顫振分析解決方案對NASA Rotor67壓氣機葉片進行顫振分析的結(jié)果（左圖）和對NACA STCF-11低壓渦輪葉片進行顫振分析的結(jié)果（右圖）。可見在不同節(jié)徑數(shù)和不同相位角條件下蛛淋，采用CFX仿真預(yù)測的阻尼系數(shù)和試驗結(jié)果（Reference）高度吻合咙好。

Ansys軟件基于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的單向耦合解耦方法，將復(fù)雜的流固耦合問題簡化為切實可行的葉片顫振分析工程解決方案羊脾；采用業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的諧波平衡瞬態(tài)流場分析方法命丑，大大提升了葉片顫振分析過程中瞬態(tài)求解的速度；基于能量法的阻尼系數(shù)正負蜈坛，準(zhǔn)確明晰的判斷葉片設(shè)計是否發(fā)生顫振芙继，為用戶產(chǎn)品設(shè)計提供直接有效的指導(dǎo)。

在Ansys Workbench集成平臺下啦铣，工程師可快速锻碎、便捷的調(diào)用CFX、Mechanical等模塊進行葉片顫振分析圈烘、預(yù)測竖拢、設(shè)計改進和數(shù)據(jù)存儲。Ansys軟件將助力用戶實現(xiàn)準(zhǔn)確高效的葉片顫振分析和預(yù)測筋氮！

（以下文章來源于Ansys 莫切，作者Ansys中國 姚翔）

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