Trent 900发动机风扇叶片飞失后低压转子动力学行为仿真

为深入理解三转子大涵道比涡扇发动机风扇叶片飞失情况下的低压转子及结构保险的动力学行为特征,选取Trent900发动机为研究对象,分析了对于风扇叶片飞失(FBO)有重要影响的结构设计特点,进而开展了转子之间动力学耦合影响、结构保险的模拟、风扇叶片简化方法研究。构建了满足Trent 900发动机FBO模拟的三维转/静子简化模型。完成了FBO之后转子旋转约360°的动力学行为模拟,并与Trent 900发动机公布的FBO试验录像进行了对比。结果表明:①仿真结果与FBO试验录像在宏观现象的时间顺序一致;②主结构保险完全失效后,外传振动载荷较失效前降低约45%;③次级结构保险为低压转子提供新的前支点并保护风扇轴。     

航空发动机风扇叶片爆破飞断主动控制技术

为了实现在风扇机匣包容性试验中对叶片飞断转速的精确控制,开展了叶片飞断主动控制技术研究。提出了一种风扇 叶片爆破切割飞断的方法,进行了风扇叶片榫头的装药结构设计以及应用爆破技术的可行性分析;设计了遥控起爆系统,确保了 试验安全;根据静、动态双重验证的技术研究路线提出了详细的技术指标,使叶片飞出姿态满足试验器条件下包容性试验的技术 要求。结果表明：采用风扇叶片爆破切割飞断的方法顺利完成了某大涵道比发动机叶片在风扇机匣包容性试验指定转速下的爆 破飞断,叶片飞出的附加动能小于叶片飞失动能的0.05%,叶片飞断转速的控制精度在0.1%以内。验证了该项技术在试验器条件 下完成风扇机匣包容性试验的有效性,并为整机包容性试验奠定了基础。     

采用MD Nastran对航空发动机叶片飞脱进行高效的多学科仿真

在过去10年里,波音公司和MSC软件公司同世界范围的喷气发动机制造商和NASA一起研发出一种发动机风扇叶片飞脱分析仿真过程软件.作为发动机的一个取证过程,FAA要求发动机制造商通过实际试验必须成功地验证,发动机可承受风扇叶片飞脱事件而仍位于安装架上,在没有任何非包含的风扇碎片和失火的情况下仍能至少运转15s.在一台大型商用发动机中,整个瞬态动力学事件可能持续20ms到600nms之间.     

风扇叶片飞失显式动力学仿真网格与时间步长研究

为了研究大涵道比涡扇发动机风扇叶片飞失仿真中网格尺度与时间步长对于瞬态显式动力学分析结果的影响,采用有 限元法中单元计算理论分析的方法分析了网格尺度和时间步长在计算稳定性方面的理论联系。采用多因素试验设计方法组织了 针对叶片应力分布、转子轴心轨迹和支点外传振动应力3个风扇叶片飞失的典型输出参数的网格尺度和时间步长的影响研究方 案,开展了典型物理过程、模型简化和数值计算无关性研究。针对时间步长为7×10-7、5×10-7、3×10-7和2×10-7s,网格尺度为40 、30、 20和15 mm的计算结果进行分析,结果表明：对于给定物理过程和目标时长,存在着网格尺度和时间步长的门槛值,如：2×10-7 s 时间 步长和30 mm网格尺度,超过该值进一步细化网格和减小时间步长对于精度提升不明显;显式动力学的计算原理决定了目标时间 越长偏差累计越大,所需的网格精度就越高;碰摩过程对于风扇叶片飞失仿真的应力和外传振动偏差影响较大。     

冲击载荷作用下的锥壁失效仿真及试验验证

根据航空发动机支承锥壁结构受力特点,对风扇叶片飞失冲击载荷作用下的锥壁失效破坏机理进行了研究。利用显式动力学有限元仿真方法,对冲击载荷作用下的锥壁结构动态失效过程进行了瞬态分析。开展了对锥壁的落锤冲击试验,并与分析结果进行了对比验证。试验和分析结果表明:冲击载荷作用下锥壁减薄处破坏为剪切失效破坏。采用的显式动力学有限元仿真方法为准确模拟冲击载荷作用下的锥壁结构失效提供了一种可行的仿真手段,分析获得的峰值加速度与试验结果误差小于5%;利用GISSMO(generalized incremental stress state dependent damage model)可以准确预测锥壁减薄处断裂时间、断裂位置。经过试验验证的分析方法及失效模型可运用到风扇叶片飞失冲击载荷下的锥壁失效设计参数的确定,提高锥壁降载结构设计的精度。      

风扇叶片丢失激励下转子-支承系统结构安全性设计策略

以高涵道比涡扇发动机风扇叶片丢失载荷激励下的转子-支承系统为研究对象,提出了一套结构安全性设计策略,即通过支承方案与载荷分配、变刚度支承结构和支承结构变形控制,结合转子结构动力学特性设计,实现转子结构安全性设计.研究表明:风扇后支点采用变刚度支承结构设计,能够在转子减速停车过程中减小风扇局部振动临界转速与相应振幅.通过设计滚珠轴承支承锥壳锥角,能够使支承具有较高的轴向承载能力并减小转轴变形对滚珠轴承的影响.轴承座底部与转轴间采用鼓形配合面连接设计,能够在大弯矩作用下通过配合面相互滑移避免支承随转轴变形,保证轴承安全.研究结果可为恶劣载荷作用下高涵道比涡扇发动机结构安全性设计提供依据.      

风扇叶片爆炸飞断等效试验与分析方法

针对航空发动机风扇叶片爆炸飞断试验难度大、成本高的问题,在发动机研制初期,通过等效平板试验件爆炸损伤机理试验,模拟风扇叶片实际损伤与飞断过程。基于包容性试验对叶片爆炸飞断位置、转速、时间和额外动能的要求,以飞断质量、动能和损伤截面积等效为准则,首先,根据飞断截面平均应力进行等效平板和爆炸结构设计。然后,采用显式动力学数值仿真方法对等效平板爆炸损伤和飞断过程进行模拟,评估飞断时间和飞断动能,并根据仿真结果对试验方案进行优化。最后,通过平板等效试验和真实风扇叶片试验对优化后的爆炸飞断方案进行验证。经评估,风扇叶片爆炸飞断位置准确,飞断转速误差控制在［0%,+1%］之内,符合适航规章的要求,且爆炸未对飞断碎片施加额外动能。采用爆炸飞断等效试验与分析方法,能够有效提高真实风扇叶片包容试验的成功率,具备工程应用的可行性。     

风扇叶片飞失下的结构降载机理

利用简化的转子有限元分析模型,从转子临界转速、支点动态载荷响应和转子轴心轨迹等方面进行了有无降载设计的对比分析,研究了风扇叶片飞失下的结构降载机理。结果表明:由于1#支点的熔断设计,低压转子支承由3个支点变为2个支点,风扇振型的临界转速降低,使得风扇转子运行在超临界转速上,轴心轨迹半径减小,从而降低高转速下的载荷响应,同时该机理研究采用的方法可用于熔断结构载荷阀值范围的确定以及其降载效果的评估。      

等强度三维空心叶片的内部拓扑结构

以ANSYS软件为平台,基于双向渐进结构优化法对所提出的等强度风扇叶片的内部结构形式进行探索性研究,在对叶片内部结构进行拓扑优化的过程中提出了中面应力基准法,简化了优化模型,同时有针对性的解决了双向渐进结构优化法在应用中的一些技术问题,实现了等强度风扇叶片内部结构的优化,获得了内部结构的拓扑形式.所得结果可为发动机轻量化设计提供参考.      

叶片飞失转子动力特性及支承结构安全性设计

针对航空发动机在叶片飞失极限载荷下的支点载荷控制问题,建立综合考虑冲击、惯性非对称、减速过临界等多种力学过程的支点动载荷响应分析方法;提出针对止推支点的缓冲阻尼支承结构安全性设计,该结构可以通过控制支承结构的刚度、阻尼参数,调整转子系统动力特性,降低转子临界转速。通过支点动载荷响应分析方法定量评估缓冲阻尼结构对降低支点动载荷的有效性。通过试验证明转子系统在冲击-减速过程中对支点载荷的影响因素。结果表明:叶片飞失所产生的冲击作用和减速过临界过程是威胁支承结构承载能力的主要因素。采用缓冲阻尼支承结构能够使叶片飞失下转子系统的支点动载荷降低至20%,是一种有效的支承结构安全性设计。     

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。     

翼吊发动机安装结构等效建模及其隔振设计

为了研究翼吊发动机安装结构隔振特性并优化其隔振器设计,建立了发动机安装节-吊架-机翼结构理论分析及有限元模型.利用有限元方法进行了模态验证并分析了安装结构的隔振特性.进行发动机3种典型工况下的结构动响应分析确定了振动传递的主路径.基于振动传递路径法研究了隔振器参数和安装位置对安装系统隔振性能的影响规律.结果表明:振动载荷经安装结构后低压转子转频和高压转子转频峰值响应分别降低22.03%和14.65%.低压转子转频振动传递主路径为发动机-前安装节-吊架-机翼,高压转子转频为发动机-后安装节-上连杆-机翼.通过合理设置隔振器位置可以使安装系统隔振率达到50.41%,隔振器的频率比为5和阻尼比为0.25时安装系统隔振率可达70.67%.为了优化整个发动机安装系统的隔振效果,设计隔振器时必须选取合适的安装位置和参数.      

发动机舱油雾着火及火蔓延特性的数值模拟

为研究发动机舱内典型火灾规律，采用大涡模拟技术，针对某型发动机核心机舱建立了油雾火的火灾模型，研究舱内着火及火蔓延规律，分析不同泄漏位置及泄漏孔朝向对火焰传播及温度、热流分布的影响。结果表明：在舱内的通风热环境下，油雾泄漏会被引燃并稳定燃烧，中间有一定的潜伏期，火灾强度较大，破坏性严重；油雾火灾是典型的由通风控制的不充分燃烧过程，呈现一定的蔓延规律，火焰中心位于高速回流区，向引气口及尾部排气方向快速蔓延；不同泄漏位置及泄漏孔朝向对火灾的蔓延形态、温度及热流的分布有一定影响，其中泄漏位置对温度热流峰值影响较大，泄漏孔朝向对温度热流的分布影响较大。     

航空发动机承力系统抗变形能力评估

针对航空发动机承力系统的结构和力学特征,基于安全性设计要求,建立了整机承力系统抗变形能力的评估方法,分别从结构固有抗变形能力、稳态载荷下的抗变形能力以及瞬态冲击载荷下的抗变形能力3方面提出了当量刚度、间隙匹配系数、冲击放大系数3个评估参数.以典型高涵道比涡扇发动机承力系统为对象进行了抗变形能力评估.结果表明:以截面的等效刚度和承力系统最大等效刚度的比值作为结构当量刚度,以稳态载荷下整机系统各个截面的最小间隙与 最大间隙的比值作为间隙匹配系数和以瞬态冲击载荷与各个支点及安装节上支反力的最大峰值载荷的比值作为冲击放大系数,这3个参数均能较好地反映出整机承力结构的危险位置和极限载荷下的响应特征.最终的评估结果可以为承力系统结构方案设计和优化提供参考.      

民用飞机动力装置安装系统设计研究

研究了现役典型的民用飞机动力装置的安装系统,提出了两种分类方法。根据民用飞机和动力装置系统的设计特点,总结了安装系统的一般设计要求。从载荷类型和传力途径、固定方法、热补偿和隔振技术四个方面总结了安装系统的设计关键技术,提出了安装系统设计的一般流程,为民用飞机动力装置安装系统的设计提供了支持和技术积累。     

大涵道比涡扇发动机低压涡轮间隙分析与设计

航空发动机涡轮叶尖间隙的准确分析与合理设计对改善发动机性能有重要意义。对叶尖间隙的影响因素进行了详细分析,并指出在总体结构初步设计中,涡轮叶尖间隙分析和设计需要重点考虑的载荷因素;给出采用NX-NASTRAN进行间隙计算的求解方法和详细步骤;以某大涵道比发动机低压涡轮的间隙分析为例,给出详细的求解过程,求解得到低压涡轮在地面起飞状态等8个工况下间隙变化值为-0.4~1.1 mm,并指出间隙初始值的确定应当主要考虑设计点状态、起飞状态和地面慢车状态。     

教练机发动机设计载荷谱推导方法

系统地研究了教练机航空发动机设计载荷谱的推导方法，主要包括：（1）基准机的选取与现役发动机载荷谱的空测、统计；（2）新机发动机飞行剖面的预测；（3）新机发动机设计任务循环的编制等三大步骤。提出的方法具有一定的通用性，可以推广到其它类型的发动机设计载荷谱研究。     

航空发动机飞行载荷谱的预测

提出了基于飞机的设计飞行任务剖面、飞行力学及发动机原理的发动机飞行载荷的预测方法,即首先将飞机的设计飞行任务剖面通过飞行力学的基本原理转化为发动机的推力（或油门）剖面,然后通过发动机性能计算获得发动机的其它工作状态参数,从而获得发动机的飞行载荷谱。      

发动机非包容性转子失效布置与防护设计

民用飞机发动机服役经验表明:发动机非包容性转子失效仍会发生。为将这种非包容性转子失效可能带来的危害降至最低,基于一种发动机翼吊式安装的民用飞机,结合咨询通告AC20-128A的要求以及民用飞机设计的工程经验,开展了飞机内部系统布置和结构防护设计研究。首先介绍了减小发动机非包容性转子失效危害的设计流程和分析模型,其次从民航局审查关注的角度,重点阐述了不可控制的着火、推力损失、飞机操纵的损失、对乘客和机组人员的保护和结构完整性等五个方面的设计思路和方法。研究结果表明:飞机设计时,通过采取将关键部件和系统移出碎片影响区、冗余设计、提供可接受的防护等预防措施来减小发动机非包容性转子失效对飞机的危害,对发动机非包容性转子失效的设计和适航验证具有指导意义。