锯齿冠低压涡轮工作叶片叶冠防错位设计方法

针对锯齿冠低压涡轮工作叶片在使用过程中发生的叶冠错位故障,在综合分析各次叶冠错位故障发生原因的基础上,总结了锯齿冠低压涡轮工作叶片叶冠错位模式,绘制了模式图,并针对各种叶冠错位模式提出了1套完整的锯齿冠低压涡轮工作叶片预防叶冠错位的设计方法。在2型发动机上进行应用的结果表明,本方法是切实可行的。     

航空发动机短舱泄压门冲击载荷结构拓扑优化技术研究

部分航空发动机零部件的工作载荷类型属于冲击载荷,采用静力学强度判定准则无法证明其设计符合性,导致无法采用静力学载荷对其进行结构优化,需要建立基于冲击动力学载荷的航空发动机结构拓扑优化方法。以航空发动机泄压门铰链为研究对象,通过结构冲击动力学载荷拓扑优化技术研究,建立短舱腔压导致的泄压门弹开载荷作用下拓扑优化方法,提高泄压门铰链强度裕度,解决泄压门强度考核试验中出现的铰链断裂问题。基于冲击动力学载荷的航空发动机结构拓扑优化方法,能够避免动力学等效静载荷误差,优化结果更加符合载荷传力特征,为航空发动机零部件减重和应力降低优化提供了有效的解决途径。     

基于拓扑和尺寸优化的翼肋类结构设计研究

开展了以机翼翼肋为模型的布局与尺寸优化设计,在结构优化的过程中,采用两级优化的设计方法。第一级采用拓扑优化,应用变密度法,由此得到了翼肋大致构形及其挖孔位置;第二级采用尺寸优化,将复合形法与NASTRAN的方向法相结合,分别优化出翼肋上杆的截面积和肋板各部分的厚度,两者相互结合,最终完成了翼肋结构的布局优化设计。对普通肋板和优化之后的肋板在性能参数上做了对比研究。结果表明：经过结构优化,结构材料的质量减少约30%（自定义约束条件）,同时,结构自身的刚度,强度等性能参数有很大改进,验证了文中算法在减重方面是可行和有效的。     

涡轮叶片锯齿冠结构设计的实践与思考

涡轮叶片锯齿冠的设计对于保证发动机的可靠性、寿命和安全至关重要。简要介绍了锯齿冠结构设计的指导思想、技术要求、依据和程序;重点分析了中国自行研制的某型高性能加力式双转子涡轮喷气发动机低压涡轮锯齿冠结构设计的特点,并进行了试车考核,收到了良好效果。     

基于拓扑优化和形状优化的桨叶结构设计

直升机旋翼桨叶剖面结构设计是研究旋翼动力学设计的基础。提出一种联合拓扑优化和形状优化的 两级优化设计方法,可用于桨叶剖面结构的设计。第一级优化以变密度法(SIMP)作为拓扑优化的材料插值方 法,以桨叶体积最小化为设计目标,约束桨叶节点位移和应力,建立桨叶的拓扑优化求解模型;第二级优化以重 构的桨叶模型为基础开展形状优化,降低局部应力集中以及找到合理的边界节点位置。对优化后的模型进行 有限元分析,结果表明:通过拓扑优化和形状优化的两级优化,能够得到满足强度和稳定性要求的结构布局,为 桨叶结构设计提供指导方案。     

基于双循环的涡轮叶冠多学科设计优化

针对经典的多学科设计可行方法(MDF)的低效率问题,开展了利用可变复杂度建模方法改进MDF策略的研究.以涡轮叶冠为对象,综合考虑优化精度和优化效率,利用响应面方法近似高精度分析,简化计算难度,提高优化效率;合理引入可变复杂度建模方法,通过双循环结构优化策略周期性地调用高精度分析更新响应面方程来保证优化精度.基于双循环的涡轮叶冠多学科优化设计(MDO)表明,优化设计目标降低了1.4%,明显好于经典MDF策略(0.97%),整个优化策略共耗时2h39min,仅是经典MDF的优化时间的1/3.     

基于模拟退火遗传算法的平面连续体结构的拓扑优化

采用遗传算法,用染色体基因映射结构离散化后的单元体,通过改变基因代码实现连续结构的拓扑。优化过程中,利用遗传算法进行结构优化,通过有限元技术对结构进行建模和分析。在遗传算法中,引入模拟退火的思想,实时调整结构优化的适应度函数,改善优化分析中个体所处的生存环境,提高优化分析效率,获得较优的结构拓扑效果。算例分析表明所提出的方法是有效的。      

某型航空发动机锯齿冠涡轮叶片叶冠间隙扩展规律研究

以某型航空发动机锯齿冠涡轮叶片实际外场叶冠间隙监控数据为统计样本,开展了叶片叶冠间隙扩展规律的统计分析与研究,包括叶冠间隙扩展典型规律和扩展速率的统计分析,松动叶片数量与叶冠间隙的对应关系以及叶冠出现间隙的发动机使用情况的统计分析。结果表明:叶冠间隙存在稳态扩展和异常扩展阶段,且松动叶片数量与叶冠总间隙之间存在一定的比例关系,可为叶冠间隙外场监控提供参考和依据。     

某型发动机新件涡轮叶片叶冠掉块故障分析

为排除某型发动机新件涡轮叶片叶冠掉块故障,对故障件进行尺寸检测、加工制造工艺复查、断口分析、结构和强度分析等,认为:引发故障的主要原因是叶冠转接R不圆滑、存在尖角,造成应力集中;而相邻原机件叶片弦宽尺寸超差,锯齿形工作接触面积小,以及非工作面局部碰磨,是引发故障的次要因素。采取并验证了有针对性的排故措施。     

凸肩径向位置对风扇叶片振动特性的影响

针对带凸肩风扇叶片的动力学设计需求,研究凸肩径向位置对风扇叶片振动特性的影响规律.基于梁理论建立带凸肩风扇叶片的力学模型,采用瑞利法推导了1阶固有频率解析解,并获得了1阶固有频率随凸肩径向位置的变化规律.基于非线性接触有限元法,研究了凸肩径向位置对接触状态和振动特性的影响.研究结果表明:凸肩径向相对位置为0.75时,可使叶片具有最大的刚度值和1阶固有频率值.而综合考虑多阶模态频率时,凸肩径向相对位置为0.55至0.68时,叶片振动特性最优.凸肩接触正压力随凸肩径向位置增加而下降,切向接触刚度随凸肩径向位置的增加先增加后减小.      

涡轮叶片叶冠的预扭设计分析

对在工作状态下的某型航空发动机叶冠不同预扭角的低压涡轮叶片应力进行了计算分析,给出了装配状态下叶冠阻尼面应力状态的计算分析方法。     

基于激光多普勒测振的叶片振动特性试验

为了实现叶片振动特性的高精度、多点、非接触测量,对激光多普勒测振原理与应用进行了研究,将激光测振技术引入到叶片振动特性测试中,搭建了1套非接触式声激励测振系统。以某型航空发动机压气机第2级叶片为研究对象,测量出叶片表面153个测点的响应、5kHz内的前5阶固有频率和振型、前3阶应力分布,并将试验结果与有限元分析以及传统振动特性试验采用共振法、模态法获得的振动特性结果进行对比。结果表明：非接触激光测振法可以同时获得叶片高阶模态和全场应力分布,弥补了传统振动特性试验的不足。测得叶片频率与采用共振法、模态法得到的结果相比误差在1%以内,相对应力分布与有限元分析结果基本一致,证明了该新型叶片振动特性试验方法的正确性与先进性。     

多工况下的发动机支架拓扑优化设计

为综合考虑航空发动机支架的各性能指标,提高支架结构的设计质量并实现轻量化,进行了结构拓扑优化方法在发动机附件支架设计中的应用研究。以某油滤支架为例,根据该油滤附件与其相邻结构的相对空间位置关系建立支架的初始模型,基于HyperWorks软件平台,在工况分析及载荷简化的基础上,以总柔度为目标函数,采用加权折衷规划法建立了多工况下的支架结构拓扑优化的数学模型,并对比了优化前后支架的应力、位移、固有频率和质量。结果表明：在静强度储备相当的基础上,优化后支架质量减轻了23%,结构刚度整体上提高了30%以上,且第1阶固有频率提高了62%,减轻支架质量的同时提高了结构性能,可为发动机类似结构的优化设计提供一定的参考。     

基于积叠线的风扇叶片优化与振动特性研究

为了改善航空发动机风扇叶片静强度和振动特性,以风扇叶片静应力和应变能密度指数为优化目标,采用Kriging 代理模型和微种群遗传算法,分析风扇叶片重心积叠线周向构型变化对叶片强度振动性能的影响。以叶片重心积叠线周向构型为设计参数,实现风扇叶片参数化建模和有限元网格的自动划分及有限元计算。建立航空发动机风扇“参数化建模—有限元仿真—强度和振动特性优化”的一体化平台,对某宽弦风扇叶片进行优化设计。结果表明：优化后叶片中心的高应力区向叶尖偏移,叶根前缘的高应力区得到了改善,最大静应力减小了5.45%,应变能密度指数减小了5.94%,在相同载荷下的第1 阶振动应力裕度从66.81%提高到了70.46%;叶片的固有频率、振型和共振裕度等没有明显变化,表明此优化算法可有效改善叶片的静强度和振动应力分布,且不会对其他振动特性产生不利影响。     

低压涡轮叶片耐磨层对锯齿冠掉块的影响分析

针对发动机试验后低压涡轮叶片锯齿冠出现掉块故障,利用视频显微镜、扫描电镜和能谱分析等方法对掉块断口进行宏、微观分析,明确了掉块断口均为疲劳断口,源区位于啮合面耐磨层或焊接熔合区靠近流道面一侧;通过对模拟试验件开展力学性能测试,证明锯齿冠发生掉块主要与堆焊耐磨层及焊接熔合区降低锯齿冠R根部承载能力有关;强度分析表明,堆焊耐磨层及焊接熔合区与应力集中区域重叠或相近;对锯齿冠耐磨层横、纵剖面形貌检查发现,耐磨层及焊接熔合区的流道面侧（疲劳源区位置）更靠近锯齿冠应力集中区,验收标准规定在锯齿冠上表面进行耐磨层长度检验不能准确表征耐磨层长度,因此耐磨层焊接长度应是锯齿冠设计过程中需要考虑的重要参数之一。     

滑油泵流量不合格排故研究

为排除某型航空发动机滑油泵在使用1个发动机寿命期后流量不合格的故障,根据滑油泵工作原理,分析了滑油温度和滑油泵间隙（端面间隙、凸台间隙和径向间隙）等因素对其流量的影响。结果表明,温度对滑油泵流量性能影响较大,其影响主要是在滑油温度改变后,端面、凸台和径向间隙泄漏量变化而产生的;滑油泵端面间隙对流量的影响较大,端面间隙缩小O．01mm,流量可以提高1咖1n左右,将滑油泵凸台间隙调整至-O．01～O．01mm和0～O．02mm区间,流量可提高2～3L／min。通过试验验证给出了提高滑油泵流量的措施,从而排除了多台某型发动机滑油泵流量不合格故障。     

航空发动机管路振动应力原位抑制试验

为解决航空发动机管路振动应力超限问题,提出航空发动机管路振动应力原位抑制概念,制定了管路振动应力原位抑制流程,提炼出基于管路基本管型、卡箍基本约束方式的振动应力原位抑制方法;结合发动机整机试验,对管路系统振动应力测试截面、试车程序进行了分析,并将所建立的分析流程和方法应用到某型发动机管路系统设计和试验中。结果表明:振动应力原位抑制后的管路系统承受住了实际工作环境的考验,验证了流程和方法的有效性;管路两端管接头焊接处、与附件相连接头处、刚性接地卡箍处,是应力较大的区域,应进行重点监控;采用3 min试车方案可在保证测量数据准确有效的前提下,降低测试成本并提高1倍的测试效率。管路振动应力原位抑制流程和方法可为航空发动机管路系统的设计、振动应力测试及抑制提供参考。