发动机管路卡箍位置动力灵敏度分析与优化设计

针对发动机管路卡箍布置过程中存在的经验性和随意性的问题,将卡箍支撑视为末端固定的平移约束弹簧单元,定义任意两个卡箍之间的管道长度为随机变量.采用有限元法结合离散抽样分析了结构参数对复杂管路系统基频和随机振动的灵敏度,结果表明某些卡箍间距的变动比其他参数的影响更为明显.讨论了卡箍数量和刚度对管路系统的动力学特性的影响规律,并分别以基频与外界激振频率的差值最大化,以及随机振动均方差响应最小化为目标,利用罚函数法对复杂管路系统的关键卡箍位置进行了优化设计.      

发动机机匣弧面不规则管路的布局参数多目标优化设计

管路布局优化是降低发动机管路振动应力的重要手段,提出了一种发动机机匣弧面上不规则管路布局参数的多目标优化设计方法。从发动机机匣弧面的U形管路出发,建立了具有复杂布局走向的不规则单管路的参数化建模方法。分析了布局参数对管路的危险固有频率、多点激励响应的灵敏度。综合考虑错频和最大响应等多个目标,采用多目标遗传优化算法,对不规则管路的布局参数实施了优化设计。结果表明:管形布局优化设计效果显著,错开了两个危险固有频率禁带;管路结构在相同激励下最大位移幅值下降约35%,最大应力幅值下降近50%,为发动机管路的振动控制和动力学正向设计提供了参考。      

基于ANSYS平台的多支撑空间单管路避振优化

为了合理地确定航空发动机中卡箍的布局,以有效避开发动机转子的激振频率,进而大幅度降低管路系统的振动水平, 基于ANSYS平台,针对多卡箍支撑的空间管路开展卡箍布局优化研究。描述了空间管路的有限元建模过程,将卡箍的位置作为 设计变量,卡箍的可移动范围作为约束条件,以管路系统最大第1阶固有频率作为目标函数,建立了空间管路避振优化模型,并给 出了先执行灵敏度分析再进行优化求解的方法。结果表明：基于灵敏度分析减少了设计变量的数量后,其优化结果与考虑所有设 计变量的优化结果基本一致;优化后管路系统第1阶固有频率增大,避开了所设定的激振频率。通过试验校验了所创建的有限元 模型的合理性,并在此基础上进行了卡箍布局优化实践。     

考虑螺栓连接的航空发动机管路建模及振动特性分析

为了建立考虑真实卡箍结构影响的管路系统动力学模型、获取结构设计参数和装配参数等对管路系统动力学特性的影 响规律,以航空发动机外部管路为研究对象,考虑金属橡胶卡箍螺栓拧紧力矩的影响,基于ANSYS有限元软件建立了包含螺栓连 接的管路模型。通过模态试验及基础激励响应试验验证了有限元模型的准确性。进一步分析了螺栓拧紧力矩、卡箍跨距及管体 长度对双卡箍管路系统固有频率的影响规律。结果表明：拧紧力矩的增大导致管路的固有频率的提高,针对本研究模型,在拧紧 力矩达到8 N·m以后,管路固有频率逐渐趋于稳定;拧紧力矩对不同长度管路的固有频率影响不同,管路越长,拧紧力矩的作用越 弱,即卡箍的支承刚度对管路固有频率的影响越弱。     

考虑卡箍预紧状态的空间管路3维有限元建模

为了准确分析管路系统的振动应力，在合理引入卡箍预紧状态的前提下，提出了一种空间管路3维有限元建模方法，创 建了管路3维实体有限元模型。通过分析上下箍带对管路的夹紧力，确定了模拟卡箍力学特性的弹簧单元刚度值分布规律；卡箍 不同位置处的水平和竖直方向的刚度存在比例关系，且比例关系与位置角和方向有关；给出了用实体单元并引入上述卡箍约束 的有限元建模流程，其中每个卡箍用2个同面并按照节点分布的弹簧组来模拟，真实地反映了管路的几何特征和卡箍的约束状 态，能够适应管路系统动应力求解的需求；搭建了对应模态和谐响应分析的试验装置，并将试验结果和仿真结果进行了对比。结 果表明：相对于管单元，采用考虑卡箍预紧的管路系统3维有限元建模方法得到的固有频率和应力响应结果更贴近实测结果，仿 真计算与实测的振动应力偏差小于20%。     

卡箍-管路系统固有特性计算与试验方法

以航空发动机中的卡箍-管路系统为研究对象,基于自主设计的卡箍刚度试验测试装置,对直径为8 mm的卡箍的线刚度和角刚度进行了试验测试。根据实测卡箍刚度,采用线性弹簧对其进行离散化等效处理,并基于自编有限元法建立了卡箍-管路系统的动力学模型。通过试验与仿真所获得的固有频率及频响函数的对比,从而验证了卡箍刚度测定及有限元模型的合理性,并进一步研究了拧紧力矩对卡箍-管路系统固有频率的影响。结果表明:拧紧力矩的增加会导致管路的固有频率增大,且针对所研究的卡箍,当拧紧力矩大于8 N·m时,管路固有频率逐渐趋于稳定。      

简谐激励下柔性卡箍支承管路系统响应

针对柔性卡箍支承航空发动机管路系统振动问题,研究了柔性卡箍的刚度特性及其对管路系统响应特性的影响。建立了包含管路和柔性卡箍的管路系统流固耦合有限元模型,给出了系统时域响应的Newmark积分方法。采用解析推导和试验测试两种方法对柔性卡箍刚度特性进行了研究,研究结果表明:柔性卡箍的刚度具有明显的分段线性特性。通过对基础简谐激励作用下管路系统时域受迫响应分析,研究了柔性卡箍支承刚度对系统非线性行为的影响。发现柔性卡箍刚度的不对称性较大时,系统的幅频响应特性曲线出现明显的非线性突跳现象；在特定频率范围,响应中存在激励频率的亚谐和超谐分量；随着流体流速和压力的增加,系统固有频率减小。      

航空发动机外部管路调频方法研究

为了使航空发动机外部管路调频工作简化和效率提高,运用有限元方法、通过计算机仿真,对航空发动机外部管路模态进行计算分析,得到了卡箍约束位置对外部管路1阶固有频率的影响规律;引入管路等效长度和等效系数的概念,总结得到典型结构管路的管长等效系数值;综合卡箍约束位置对外部管路固有频率的影响规律、典型管路结构的管长等效系数和工程实际经验,归纳得到管路调频的一般工作步骤,用于指导管路调频工作,显著地提高了管路调频工作效率。     

航空发动机管路系统动力学特性综述

航空发动机管路系统主要承受来自机匣和管内流体的耦合激励作用,不同位置机匣传递的基础激励不同,如高低压转子振动、气动载荷、燃烧室火焰脉动和气动噪声激励等,管内流体激励包括介质压力脉动及管路形状改变造成的介质冲击载荷等;同时不同管型的管路通过卡箍、支架、接头等连接部件与机匣和附件相连,存在大量的结构耦合,这些都极易引发管路系统在多源载荷激励下的振动超限,诱发管路及卡箍产生裂纹等故障。为了提高管路系统服役期间的可靠性,在设计阶段需要开展动力学优化设计,并提出相应的设计标准及规范。目前管路系统动力学方面的研究主要聚焦在飞机、舰船及其他输油管路,针对航空发动机管路系统动力学特性的研究相对较少,对管路系统主要支撑部件卡箍静力学及动力学特性表征、弹支边界管路系统动力学特性、流固耦合管路系统动力学特性及管路系统动力学优化这4个方面的研究现状进行了总结与展望,旨在为航空发动机复杂管路系统设计及振动控制提供理论支持和技术指导。     

飞机管路系统卡箍位置的可靠性优化设计

基于疲劳累积损伤的破坏准则,针对飞机管路系统采用了ansys软件中的蒙特卡罗(Monte Carlo)的可靠性分析方法,进行了随机振动激励下管路系统的可靠性优化分析,得到了不同位置卡箍参数对系统动力学特性的灵敏度,提出了满足系统可靠度的可靠性优化设计方案,最终使管路系统的安全可靠性得到了保障,为系统的安全性指导和设计提供了理论依据。