整机结构设计的评估方法——结构效率

从整机动力学的角度,提出一种量化各种结构改进设计对整机性能收益的评估方法——结构效率,其内涵应当包括发动机质量有效承载项,模态参与项以及变形量协调项,并建立初步分析方法.通过某转子/支承系统的结构优化算例,指出了结构效率在整机结构设计中的优越性,并对结构概率的进一步研究前景和研究重点进行了论述.      

航空发动机结构力学性能定量分析方法

为了对航空发动机的结构特征与力学特征之间的内在联系进行有效的定量分析,根据现代航空发动机结构功能特征,基于结构效率的概念及内涵,建立了结构力学性能的定量分析方法。针对典型高涵道比涡扇发动机的整机结构系统,通过建立适当的评估参数分析了结构抗变形能力和力学环境适应能力,并得到了结构效率系数。研究结果表明:与现有设计准则不同,采用该方法可以定量评估部件及整机结构设计水平或结构改进对航空发动机力学性能的综合收益,并能指出结构薄弱点,从而指导结构优化设计。     

航空发动机整机动力学模型建立与振动特性分析

针对航空发动机的转子/整机动力学问题,使用两自由度动力学模型对转、静子的振动耦合机理进行了解释,指出传统转子动力学模型将导致最大67%的计算误差,因此需要采用整机动力学模型对发动机的振动特性进行求解。进一步明确了整机动力学有限元模型的简化原则和模型功用,针对转、静子的典型结构论述了详细的建模方法。采用整机三维模型对双转子涡扇发动机的固有振动特性进行了计算和评估,结果表明,慢车至最大转速区间内只存在一阶高压转子平动振型,转子系统总应变能不超过20%,共振裕度大于20%,满足航空发动机的转子动力学设计要求。     

航空发动机整机振动问题研究方法及工程应用

针对航空发动机整机振动特征溯源困难的现状,以某型发动机典型振动突变特征溯源研究为例,提出了一种基于整机及部件动力学试验手段的振动特征溯源研究方法。该方法首先通过整机及部件动力学试验测试手段揭示发动机动力学特性和典型现象深层特征,然后通过综合剖析方法溯源振动特征的动力学原因及结构原因。通过发动机全静子机匣支承动刚度和整机模态特性试验研究,获取了静子支承动刚度特性与整机模态特性。通过发动机转子全转速下动特性与转子模态试验研究,揭示了转子在离心载荷作用下的不平衡激励和弹性线变化规律,以及转子连接界面在不同力学参数下的模态特性。通过整机工作条件下的转子轴承座全息测振和基于发动机叶尖间隙的转子全息测振试验研究,揭示了发动机典型振动特征的瞬变特征、支点工作振型、转子涡动及初相点等特征的变化规律。经综合研判,得到了该发动机振动突变特征的原因是转子连接界面变化所引发的转子不平衡激励状态突变的结论。基于该机理开展了转子本机平衡技术研究,有效地抑制了多台发动机的振动突变特征,进一步表明该溯源方法的正确性。     

航空发动机整机动力学研究进展与展望

对近年来航空发动机整机动力学的研究现状、进展进行了综述,包括双转子系统固有特性计算、转子-滚动轴承系统动力学、转子叶片振动、发动机机匣动力学、机动飞行转子系统动力学、航空发动机转子碰摩动力学、航空发动机转子裂纹以及整机动力学等.最后对航空发动机整机动力学今后工作研究的方向进行了展望.     

航空发动机整机振动控制技术分析

针对高性能航空发动机结构复杂性和高温高转速工况下动力学稳定性问题,提出了航空发动机转子动力学特性设计分析是振动控制技术的牵引,装配工艺控制技术是关键,振动试验测试技术是依赖手段的整机振动控制技术思路。总结了发动机结构动力学计算分析技术、结构装配工艺优化技术、整机振动测试技术以及多年在发动机试验和试车中遇到的振动故障特征分析经验,分析了目前发动机整机振动控制技术存在的问题,提出了未来工作发展的思路     

航空发动机整机振动耦合动力学模型及其验证

针对航空发动机整机振动,建立了一种通用的复杂转子-支承-机匣耦合动力学模型.在模型中,利用有限元方法对转子和机匣系统进行建模.支承系统采用集总参数模型,计入了滚动轴承和挤压油膜阻尼器的非线性,定义了多种支承和连接方式,以适应多转子和多机匣的复杂结构建模.运用数值积分获取系统非线性动力学响应.针对两个实际的航空发动机转子实验器,建立了整机耦合动力学模型,进行了整机模态实验验证,结果表明了航空发动机整机振动耦合动力学建模方法的正确有效性.      

高涵道比涡扇发动机结构与力学性能定量评估

针对高涵道比涡扇发动机结构设计需求，提出转子系统、承力系统和整机的结构效率评估参数，建立了结构设计参数与力学特征参数之间的联系。典型发动机评估结果表明:受大尺寸风扇限制，高涵道比涡扇发动机低压转子系统的平均应力系数在0.2~0.3之间，低于其他类型的航空燃气涡轮发动机。在工作转速范围内，低压转子不可避免地存在弯曲型临界转速，须将转子连接结构设计在低应变能区域。机动飞行中，整机的转静间隙值变化范围为［-1.4,1.0］mm，低压涡轮是间隙控制的重点位置。      

航空发动机整机结构效率评估参数与计算方法

根据航空发动机整机结构系统功能和设计要求,对整机结构效率内涵进行了详细阐述,基于整机载荷特征,建立了从抗变形能力和力学环境适应能力两方面对整机进行结构效率评估的参数体系.通过对转静间隙变化量、应变能分布系数、敏感度系数等评估参数归一化方法及结构效率系数运算法则的建立,明确了结构效率的分析流程.以某小涵道比涡扇发动机为对象进行结构效率评估,详细给出了结构效率的计算过程.针对该小涵道比涡扇发动机的另一种结构方案2,基于结构效率评估方法进行评估并与原结构方案进行了对比分析,结果表明:原结构方案在抗变形能力和力学环境适应能力两方面均优于结构方案2,结构效率系数比结构方案2高出0.11,初步验证了结构效率评估方法的工程实用性.      

涡扇发动机整机振动特性仿真分析

针对涡扇发动机整机振动,开展了发动机整机三维建模、动力学特性仿真分析等工作。建立了转子-支承系统、静子承力系统动力学模型,对静子承力系统关键测点在转子不平衡量大小、分布及碰摩力作用下的振动响应特性进行了仿真分析。仿真结果与实际发动机试验振动图谱的对比分析表明,特征频率点的响应吻合良好。通过本研究,初步搭建起涡扇发动机整机振动机理仿真分析平台,对提高发动机振动机理研究能力和整机振动分析诊断水平有积极意义。     

航空发动机承力系统结构效率评估方法

针对航空发动机承力系统结构与力学特征,结合承力系统结构功能和设计要求,提出了承力系统的结构效率评估方法.通过应力分布系数、等效比刚度、刚度温度敏感度、振动位移传递系数等参数来评估结构的承载能力、抗变形能力、力学环境适应能力.以涡桨发动机涡轮级间承力框架的两种结构设计方案为对象,进行了结构效率的评估.结果表明:方案A结构效率比方案B高 39.6%,所选各结构效率评估参数均位于合理水平,能够定量反映出两方案的结构设计特点与优劣所在,验证了该评估方法的有效性.      

航空发动机整机静子建模与刚度验证

基于建立航空发动机整机状态的结构动力学分析有限元模型要求,对应用于静子机匣的不同有限元网格模型进行了对比分析,并将其组装成整机模型,进行了各支点的静柔度计算和对比试验。结果表明:对静子建模可分为主承力和其他机匣部件分别进行。承力机匣采用实体单元模型,有效模拟其刚度特性;传力机匣采用壳单元模型,在保证计算精度的前提下减小计算规模。通过对整机静子模型状态下轴承座静柔度计算与试验结果的对比,验证了整机静子模型刚度分布的有效性,经过质量修正后可以为整机状态结构动力学分析提供模型。     

航空发动机转子系统结构效率评估参数及计算方法

根据航空发动机转子系统的结构特征和力学特征,提出了从结构的承载能力、抗变形能力和动力学环境适应能力3个方面进行结构效率评估的参数体系及其计算方法,并以典型小涵道比涡扇发动机转子系统为例进行了结构效率评估参数的计算分析.研究表明:平均应力系数、等效比刚度、极限惯性载荷作用下最大变形量、无量纲M-H因子和弯曲应变能系数等作为评估航空发动机转子系统结构效率的评估参数能够有效地反映各种载荷作用下结构形式和材料性能对应力水平、变形分布以及动力敏感度的影响.同时指出了该发动机转子系统现有结构设计的特点,以及进行结构优化的方向.      

民用涡扇发动机结构与建模分析研究

数学模型是航空发动机性能仿真与控制系统设计的重要技术基础,针对民用涡扇发动机建模需求,以广泛使用的大涵道比涡扇发动机为研究对象,参考国外经验并结合理论分析,进行与整机建模相关的发动机主要部件结构特点和部件建模方法研究,给出发动机大风扇特性分解方法,分析空气引气系统、压气机稳定性控制系统、涡轮叶尖间隙控制系统、反推力装置等系统的结构和建模方法,以期为民用大涵道比涡扇发动机整机建模提供技术支持.     

转子结构布局及其力学特性优化设计

针对高推质比航空发动机结构设计，提出了航空发动机转子结构布局优化设计方案。对总体结构布局的优化可以有效提高材料使用效率，获取更优的力学特性，减小结构质量以提高推质比。介绍了转子结构布局的研究内容，给出了结构布局优化设计方法，并通过对高负荷转子结构系统的布局优化设计，验证了结构布局设计方法的可行性。算例结果表明:该方法可使结构效率损失系数降低0.335，方法的创新对航空发动机转子系统初始结构设计具有指导意义，对转子结构设计方案筛选和缩短设计周期具有重要的作用。      

基于渐进结构优化法的结构动力学设计方法的初步研究

利用渐进结构优化法并结合结构效率的概念,提出了一种新型的结构动力学设计思路和一套基于ANSYS平台的优化程序开发技术.其中单目标、多约束优化模型的建立,融入了质量、应力、位移以及频率等动力学设计参数,研究初期阶段只依次对各约束进行了单独处理.相关算例的计算结果表明,在相同条件下,忽略数值不稳定性带来的影响,优化程序得到的最终拓扑、结构进化历程以及参数变化都和已有成果基本一致,由此也验证了设计方法的可行性与程序的可靠性.      

航空发动机可靠性试验方法研究

在分析航空发动机相关标准的基础上,对发动机在研制过程中零部件和整机试车、试飞项目及其考核目的进行研究。对试验进行了分类,提出了开展极限/强化试验的必要性;以故障模式及失效机理分析为依据,阐述了发动机在研制过程中成附件可靠性极限/强化试验的方法、应用原则及效果,并针对高周疲劳、性能稳定性和耐久性等考核重点梳理了整机可靠性试验的条件和载荷设计要求,提出了整机可靠性试验载荷谱选用建议。