顫振分析的案例
葉輪機械專題 | 如何高效準確地進行葉片顫振分析預測？
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，傳統的葉片流固耦合顫振分析方法通常會面臨以下挑戰：
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流程中；
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耦合求解計算，收斂非常困難，難以獲得有用的分析結果；
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發布。
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：
顫振分析，先進行FEM模態分析，模態分析結果作為流體瞬態分析的邊界條件計算氣體對振動的阻尼作用.
受迫振動分析，先進行流體瞬態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。
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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，傳統的葉片流固耦合顫振分析方法通常會面臨以下挑戰：
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流程中；
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耦合求解計算，收斂非常困難，難以獲得有用的分析結果；
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發布。
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：
顫振分析，先進行FEM模態分析，模態分析結果作為流體瞬態分析的邊界條件計算氣體對振動的阻尼作用.
展開 葉輪機械專題 | 如何高效準確地進行葉片顫振分析預測？
Ansys軟件基于業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；采用業內領先的諧波平衡瞬態流場分析方法，大大提升了葉片顫振分析過程中瞬態求解的速度；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！
來源于：Ansys
展開 CFD學習：氣動彈性顫振分析
在某些情況下，渦流脫落還會引起不穩定的負載，從而導致正反饋回路引起顫振。
負反饋循環
結構變形降低了氣動載荷，進一步減小了變形并導致氣動載荷降低，等等。
循環一直持續到飛機達到穩定和控制為止。
氣動彈性顫振是由于正反饋回路而產生的，使飛行器陷入自激振動的循環。隨著每個循環的振動幅度增加，結構失效的風險增加。這是由于振動幅度超過結構限制的風險。
根據飛機的幾何形狀和氣流條件，顫振可能會以不同的速度發生，這使其成為一個主要的安全問題。因此，氣動彈性顫振分析在設計階段至關重要，可以預測產生的載荷和避免顫振問題所需的結構完整性。
氣動彈性顫振分析：確定影響因素
氣動彈性顫振分析側重于預測和分析飛機的顫振行為及其對空氣動力學性能的影響。影響包括空氣動力載荷增加、飛機失控風險增加以及空氣動力效率降低等問題。各種分析、計算和實驗方法或它們的組合可用于在設計階段進行氣動彈性顫振分析，以獲得準確可靠的結果。
顫振分析需要識別一些關鍵組件。
顫振速度
顫振速度是振動的固有頻率與空氣動力載荷的頻率相等時空速的量度。這些頻率可以在不同的速度下識別，用于不同空氣動力學模型的顫振分析。該分析有助于確定易受顫振影響的理想飛機設計。否則，模型和仿真可用于確定優化策略，以防止顫振并提高飛機安全性。
顫動模式
不同的顫振模式或振動模式會影響飛機的顫振體驗。
展開 
設計仿真 | MSC Nastran帶預載荷的顫振分析
引言
MSC Nastran具備靜力學、動力學、非線性、優化、氣彈等功能全面的結構分析功能，在航空航天、汽車、船舶等各個行業均有廣泛的應用。
在氣動彈性分析方面，MSC Nastran具備靜氣彈、顫振、氣彈動響應、氣彈優化分析等多種功能，也支持考慮熱載荷、伺服等條件下的氣動彈性問題，請參考[1]。
本片內容主要是介紹帶有預載荷的顫振分析方法，主要包括兩類：
● 方法一：SOL106（或者SOL 153等求解序列）+SOL 145重啟動
● 方法二：SOL 400（2024.2新功能）
方法一
在之前的版本中，對于帶有預載荷的顫振分析（也包括熱載荷條件），均是采用SOL 106 +SOL 145重啟動的方式進行（熱載荷條件下的顫振分析則采用SOL 153+SOL145重啟動進行分析）。其中SOL 106用于預載荷的加載，而SOL 145用于在完成加載、得到更新后的結構剛度之后，完成顫振分析。
下圖是一個簡單的機翼模型（基于氣彈手冊中HA145E修改），其預載荷為右側弦向中央的一個Z向10N的載荷。
圖1 結構模型
圖2 SOL 106的計算模型
上圖為SOL 106計算模型的局部。此模型與常規分析沒有區別。用戶需要注意在提交計算時輸出“scr=no”以保留計算模型數據庫文件。
圖3 提交計算
下圖為重啟動分析采用SOL 145計算模型文件。
展開 NASTRAN FLDS顫振建模和分析流程 ￥28.8
簡單平板顫振案例，利用FLDS進行顫振分析建模和設置，利用nastran sol145進行顫振分析求解和后處理。
機翼振動模態試驗與顫振分析
利用調整后的模型進行氣動彈性顫振分析
機翼振動模態試驗與顫振分析.pdf
無人機葉片顫振的詳細介紹及流固耦合仿真分析講解（含105講視頻教程）
什么是無人機葉片的顫振
葉片顫振屬于流體誘發振動現象，是葉片振動的一種形式。具體而言，彈性體的葉片在氣動力作用下形成的氣彈耦合的自激振動，稱為顫振。隨著無人機葉片性能的不斷提高，氣動極限負荷增大，葉片往往設計得薄而長，剛性下降，這導致葉片顫振發作的幾率增多。
無人機葉片顫振的影響
葉片顫振一旦發作，會產生大振幅的劇烈振動，這種振動對葉片的影響主要有以下幾個方面：
疲勞損壞：大振幅的振動會使葉片在短時間內裂斷，這是葉片顫振最直接也是最嚴重的后果。顫振疲勞雖然發生的頻率可能不高，但其危害性極大。
性能下降：顫振會影響葉片的正常工作狀態，導致機械的整體性能下降，甚至可能引發更嚴重的故障。
安全隱患：葉片顫振可能引發嚴重的安全事故，對人員和財產造成巨大損失。
無人機葉片顫振的仿真方法
葉片顫振的仿真分析是理解和預測葉片顫振行為的重要手段，主要包括以下幾種方法：
瞬態動力學分析：瞬態動力學分析是研究葉片顫振機理和發展過程的基礎。通過分析葉片在氣動力和慣性力作用下的瞬態響應，可以揭示顫振的產生和發展過程。將葉片流場的瞬態仿真與葉片結構的瞬態仿真進行耦合，通過迭代計算得到葉片的顫振響應。
模態分析：模態分析是獲取葉片固有頻率和振型的重要手段。通過模態分析，可以了解葉片在不同頻率下的振動特性，為顫振分析提供基礎數據。在顫振分析中，模態分析通常用于驗證流體與結構耦合的合理性，并作為諧響應分析的基礎。
諧響應分析：諧響應分析是研究葉片在正弦激勵下的振動響應。通過諧響應分析，可以預測葉片在特定頻率下的振動幅值，從而評估葉片的顫振風險。在模態分析的基礎上，設置位移或載荷幅值及掃頻范圍，計算得到葉片結構的幅頻圖，從而分析葉片的顫振特性。
雙向流固耦合分析：雙向流固耦合分析是一種將流體與固體模塊相互迭代傳遞數據的耦合方法。
展開 Ansys葉片顫振仿真分析流程
案例概述
? 顫振分析對于確定壓氣機/渦輪葉片安全工作范圍意義重大，Ansys Fluent 2022R1已具備葉片顫振(Blade Flutter)仿真功能
? 本案例以Rotor67壓氣機葉片為例，介紹了基于Fluent進行葉片顫振分析的基本流程，包括：幾何前處理、網格劃分、計算設置、求解及后處理
? 模態結果文件由Ansys Mechanical計算得到，具體可參考流體大本營葉片顫振相關仿真資料，本案例不做具體解釋
? 本案例僅作為仿真流程演示說明案例，未與相關試驗數據進行比對
考慮氣彈問題時壓氣機氣動特性線安全裕度范圍
幾何前處理
本案例以NASA Rotor67跨音壓氣機葉片為例
‐整周葉片數22
‐設計轉速16043RPM
‐設計流量34.07kg/s，單葉片通道流量約1.54kg/s
‐模態Mode取1階彎曲模態輸出結果
‐節徑Nodal Diameter取0
NASA Rotor67 跨音壓氣機葉片
具體步驟
-將單通道葉片流體域幾何導入SCDM
-依次為進口、出口、輪轂、機匣和旋轉周期交界面進行命名，相關命名方式同一般葉輪機仿真規則
-該模型未設置葉尖間隙，如葉片帶有葉尖間隙則需對葉尖面進行單獨命名方便后續網格加密
-基于TurboGrid生成的帶有葉尖間隙的網格暫時不支持在Fluent中進行
Rotor67葉片單通道流體域幾何
Fluent Meshing網格劃分
? 在Workbench中將Geometry拖曳到Fluent模塊的Mesh單元
? 雙擊Mesh打開Fluent Meshing網格劃分界面
‐導入幾何
‐葉片局部網格加密
‐生成面網格
‐設置進出口邊界條件，設置周期對稱邊界面網格
‐定義流體域
‐設置邊界層網格
‐生成體網格(網格總數約80萬)
展開 飛行器尾舵純模態試驗
在飛行控制中，尾舵控制系統的顫振問題是一個備受關注、亟待解決的問題。因此，尾舵系統顫振分析是飛控設計的重要一環，而顫振的發生與尾舵系統振動特性密切相關，由此可以得知，尾舵系統模態參數是尾舵控制系統中的一個重要指標。藉由分析結果，工程師可以確定尾舵系統的設計參數是否合理，并對其進行優化，保證飛行器在不同的飛行狀態下的穩定性和可靠性。
PART.2
什么是顫振
隨著飛行技術的發展，氣動彈性問題已經成為現代飛行器設計中首要考慮的問題之一。在眾多的氣動彈性問題中，顫振是一個十分突出的問題。顫振是指在氣流中運動的結構，在空氣動力、慣性力和彈性恢復力的相互作用下而產生的一種自激振動。當結構的飛行速度低于顫振速度時，振動是衰減的；等于顫振速度時，保持等幅振動；大于顫振速度時，振動系統從氣流中吸取的能量大于結構阻尼力引起的能量耗損，會發生動力響應耦合、氣動彈性耦合，結構會由于振幅不斷擴大而迅速破壞，從而誘發顫振。
顫振發生時，副翼或舵面會有很大的偏轉，機翼或機身發生振動，振幅很大，頻率很高，極易發生危險。為避免由于顫振導致的飛行事故，顫振分析是飛行器結構設計中必須考慮的問題。
展開 安全耐久，高效可靠 | 《ANSYS旋轉機械行業解決方案》現已開放領取
1 旋轉機械行業概述、趨勢及挑戰
1.1 旋轉機械行業應用
1.2 旋轉機械行業面臨挑戰
1.3 旋轉機械仿真發展趨勢及挑戰
2 Ansys整套旋轉機械設計與仿真分析方案
2.1 Ansys Turbo system分析流程
2.2 1D/2D/3D設計工具：Vista、TF、BladeGen
2.3 CAD模型前處理工具：BladeEditor
2.4 自動網格生成工具：Turbo Grid
2.5 前處理與求解器：CFX Pre、CFX Solver
2.6 后處理：CFX Post
3 Ansys CFX交界面處理模型
3.1 穩態轉靜葉片交界面
3.2 Mixing plane/Frozen Rotor
3.3 瞬態轉靜葉片交界面
3.4 瞬態計算3種處理方法：PT/FT/TT
4 Ansys CFX流-熱-固耦復雜合問題求解
4.1 流熱耦合：渦輪葉片冷卻
4.2 流固耦合：顫振分析、受迫振動
4.2.1 葉片顫振分析
4.2.2 受迫振動分析
4.3 氣動噪音分析
二、本期資料如何獲取？
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Ansys航發及燃機行業解決方案
Ansys在航空/燃機領域主要應用場景
-異物撞擊
-防冰、除冰
-顫振、受迫響應
-葉片包容性分析
-多級壓氣機氣動分析
-盤腔二次空氣
-低污染燃燒室
-轉子動力學
-氣膜冷卻分析
-模態分析
-渦輪氣動熱分析
-應力、應變分析
-非定常氣動、熱分析
Ansys在航發/燃機行業應用及相關模塊
風扇、壓氣機高保真仿真技術
壓氣機葉片顫振分析
當前挑戰
‐ 壓氣機/風扇葉片發生顫振容易導致葉片發生斷裂失效
‐ 能否準確預測顫振決定了葉片穩定工況范圍的大小
‐ 葉片顫振瞬態分析計算成本極高，收斂困難
Ansys解決方案
‐ 基于Mechanical計算自然振動頻率，采用CFX進行單向流固耦合計算；基于CFX獨有的瞬態葉柵TBR模型，設定葉片節徑數和振動頻率，進行葉片瞬態單向流固耦合顫振分析；依據阻尼系數大小判斷是否會發生顫振
客戶價值
‐ 準確預測壓氣機/風扇部件是否會發生顫振，確定穩定工作范圍
‐ 大幅提升顫振分析的效率，縮減產品研發時間
‐ 協助設計人員減輕葉片重量，提升發動機工作效率
Ansys顫振分析方案技術優勢
單向流固耦合仿真
‐ 通過對流固耦合進行解耦，可在Mechanical中單獨進行自然頻率仿真分析后導入CFX進行顫振分析，極大提升了仿真效率和計算穩定性
基于最新諧波分析法進行瞬態氣動仿真
‐ 新版CFX對諧波分析法計算效率進行了大幅提升，大大提升力計算效率和穩定性，可用近似于穩態計算的成本進行瞬態葉片氣動仿真分析
展開 行業應用方案 | 航空發動機與燃氣輪機
風扇扭轉變形流固耦合分析
風扇撞擊破壞仿真
壓氣機/渦輪葉片顫振仿真分析
壓氣機/渦輪葉片受迫振動仿真分析
高溫部件（燃燒室、渦輪葉片）疲勞蠕變分析
渦輪葉片/輪盤蠕變仿真與裂縫擴展分析
發動機葉片/短艙防冰、除冰仿真
從部件級到系統級、從產品性能到可靠性的全方位航空發動機/燃氣輪機解決方案
Ansys航空發動機/燃氣輪機解決方案，涵蓋了從部件級（風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪和排氣段）到整機性能仿真方案，也包含了流體、傳熱、結構靜力學/動力學等多物理場耦合解決方案。用戶通過該解決方案可實現對整機污染排放、產品性能和安全性/可靠性的全面仿真和優化提升。
Ansys推出了高效、準確分析和預測風扇、壓氣機和渦輪葉片顫振/受迫振動的解決方案。該方案在求解效率、準確性和操作易用性等方面居于商業軟件前列，完全適用于實際葉輪機械產品的葉片顫振分析和預測
Ansys全新推出的Fluent 2020 R1版本包含了全流程化多面體+六面體網格劃分工具、旋轉機械前后處理模板，全面提升了對于復雜部件，如燃燒室、渦輪冷卻葉片和發動機整機的流固熱耦合仿真能力和效率
Ansys多物理場仿真工具可對發動機低污染排放、噪音、防冰除冰、疲勞蠕變等復雜問題進行高精度仿真分析
Ansys為航發和燃機用戶帶來了全面升級的流動、傳熱、燃燒化學反應和結構仿真工具，讓整機產品的污染物排放和噪音更低、整機性能和效率更高、產品更加安全和可靠。
展開 MSC.NASTRAN顫振分析后處理工具 ￥188.8
<p>工具簡介：提取f06文件中的v-g，v-f數據并繪制曲線，計算顫振速度和顫振頻率。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202407/attachment/cd2d89325bc041f8970d900904faedcd.png" style="text-align: center">
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展開 數控機床及機器人仿真解決方案
整體來說，智能裝備行業的主要CAE問題包括：
l 靜力學分析：整體結構及零部件的強度、剛度、穩定性等分析等
l 動力學分析：結構的振動頻率、噪音、隨機振動、轉子動力學等
l 機構運動分析：機構的運動軌跡、速度、加速度、關節力計算等
l 低頻電磁場分析：電路級和系統級的機電控制的仿真和優化等
l 高頻電磁場分析：PCB板級和設備級的信號完整性、電源完整性和電磁兼容分析等
l 疲勞分析：反復受力部件的疲勞性能及耐久性計算等
l 優化分析：結構的拓撲形狀及尺寸優化減重等
l 復合材料分析：復合材料的鋪層強度計算、鋪層優化等
l 跌落碰撞分析：包裝可靠性、碰撞、跌倒、跌落研究等等
l 多物理場分析：電子設備的電熱結構耦合、機電液一體化（子）系統級運動分析等
機床解決方案
機床行業7大關鍵技術：（1）全柔性的滾珠絲桿模型（2）全柔性的線性滑軌模型（3）切削力的便捷定義（4）響應分析（FRA）（5）機床顫振分析（6）機床零部件疲勞耐久分析（7）機 - 電 - 控一體耦合技術。
展開 