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

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、計算時間極長，極大的制約了該方法應用于實際葉輪機械產品的研發(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，收斂非常困難，難以獲得有用的分析結果；

3. CFD軟件與結構軟件之間數據交互復雜、操作繁瑣，不利于工作繁重的工程技術人員快速學習和使用。

針對上述難點，Ansys基于葉輪機械專用流體仿真軟件CFX和結構仿真軟件Mechanical推出了能高效、準確的分析和預測葉片顫振解決方案，該方案在求解效率、準確性和操作易用性等方面居于商業(yè)軟件前列，非常適用于實際葉輪機械產品的葉片顫振分析和預測。本文將針對葉片顫振分析，對流固雙向耦合解耦的方法進行著重介紹，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，不適用于工況點眾多的實際葉片顫振分析，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，先進行FEM模態(tài)分析，模態(tài)分析結果作為流體瞬態(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，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力。

流體仿真軟件基于初始穩(wěn)態(tài)仿真流場結果和導入的葉片模態(tài)分析結果，進行全三維瞬態(tài)流場仿真，最終得到葉片顫振分析和預測結果以指導設計。基于Ansys軟件的顫振分析基本流程如下圖所示：

Ansys葉輪機械解決方案在針對葉片顫振分析應用領域具有諸多優(yōu)勢，通過采用該方案實現求解精度高、速度快等優(yōu)勢，并且能針對是否發(fā)生顫振做出準確判斷，操作界面統(tǒng)一，便于廣大工程師們學習操作。

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的計算。流體的瞬態(tài)數值模擬大致可分為時域和頻域兩種方法，其中時域方法對應于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，其準確性較高但是耗時極長；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——諧波平衡法，用以模擬葉片顫振分析中的非定常流動。

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)分析問題轉化為近似于穩(wěn)態(tài)的分析過程，在保證求解精度的同時大大提高了求解效率，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，可見不同節(jié)徑數下計算所得的阻尼系數基本完全相同，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)分析方法的數百倍：

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，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測。為了實現這一方法CFX引入了氣動阻尼系數Damping Factor：

其中：

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

流固耦合分析涉及幾何模型前處理、流體/結構仿真軟件的操作使用和數據傳遞，對于設計任務繁重的工程師來說無疑是一個不小的挑戰(zhàn)。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優(yōu)化和產品設計優(yōu)化，具有無可比擬的易用性；相關數據可以在各個模塊間自動傳遞，大大減少了工程師的工作量，工作流程可以保存為固定模板，即使是沒經驗的初級工程師也可很快掌握葉片顫振分析流程和方法。

Ansys顫振分析解決方案已經在國內外得到廣泛應用和認可。目前該解決方案已在中國航發(fā)集團等國內高端葉輪機械研發(fā)單位展開使用，此外，也在燃氣輪機、汽輪機和渦輪增壓器等領域有廣泛應用。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果（左圖）和對NACA STCF-11低壓渦輪葉片進行顫振分析的結果（右圖）。可見在不同節(jié)徑數和不同相位角條件下，采用CFX仿真預測的阻尼系數和試驗結果（Reference）高度吻合。

Ansys軟件基于業(yè)內領先的單向耦合解耦方法，將復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；采用業(yè)內領先的諧波平衡瞬態(tài)流場分析方法，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正負，準確明晰的判斷葉片設計是否發(fā)生顫振，為用戶產品設計提供直接有效的指導。

在Ansys Workbench集成平臺下，工程師可快速、便捷的調用CFX、Mechanical等模塊進行葉片顫振分析、預測、設計改進和數據存儲。Ansys軟件將助力用戶實現準確高效的葉片顫振分析和預測！