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.      

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.      

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.      

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。      

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。      

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。     

探讨飞行器翼身不同结构刚度对翼尖位移和结构重量的关系

为了研究大展弦比双机身布局无人机中翼身结构不同刚度对结构响应的影响,本文采用有限元分析与满应力优化相结合来探讨这一问题.计算结果表明:机翼与机身之间不同刚度对结构响应存在影响.建议结构设计时注意这一现象并加以利用,从而得到轻量化的结构设计.针对算例进一步计算与分析表明:采用本文方法得到的结构优化方案,同样也能够满足该飞机的静、动气弹要求.结论:采用本文方法,不仅可以研究飞机部件之间不同刚度对飞机结构响应的影响,还可以进行全机的结构方案设计,并对此方案进行刚度、强度、颤振和控制面效率的分析与评估.     

不同推力级高涵道比涡扇发动机结构与力学特征定量评估

针对不同推力级高涵道比涡扇发动机的结构设计与定量评估的需求,修正了弯曲刚度轴向分布系数和变形协调性参数的计算公式。对不同推力级的典型高涵道比涡扇发动机CFM56与GE90采用结构效率评估方法进行计算与对比,结果表明:GE90高压转子的弯曲刚度分散系数高出CFM56高压转子的17.7%,大尺寸发动机高压转子应当增强局部刚度;在承载能力设计中大尺寸发动机重点关注风扇处可能引起的转静件碰摩,小尺寸发动机重点关注间隙变化带来的气动效率损失;两台发动机低压转子的弯曲应变能系数均大于20%,对连接结构的设计应当避免应变能集中处;GE90转静间隙变化量范围[-4.5mm,2.3mm],明显高于CFM56的[-1.4mm,1.0mm];在不平衡量作用下,整机振动动力学响应及敏感度分析中,需同时关注不平衡量的大小和相位的影响。     

大展弦比飞机翼身结构不同刚度对结构响应的影响

为了研究大展弦比双机身布局无人机翼身结构不同刚度对结构响应的影响,本文采用有限元分析与满应力优化相结合来探讨这一问题。计算结果表明:机翼与机身之间不同刚度对结构响应存在影响。建议结构设计时注意这一现象并加以利用,从而得到轻量化的结构设计。针对算例进一步计算与分析表明:采用本文方法得到的结构优化方案,同样也能够满足该飞机的静、动气弹要求。结论:采用本文方法,不仅可以研究飞机部件之间不同刚度对飞机结构响应的影响,还可以进行全机的结构方案设计,并对此方案进行刚度、强度、颤振和控制面效率的分析与评估。     

CJ828中央翼盒复合材料结构设计

中央翼盒是飞机主要的承力结构,承担着飞机起飞、巡航和着陆过程中机翼及机身传来的各种载荷[1].复合材料作为一种优良的航空材料,具有比强度高、比刚度大、材料力学性能可设计等优点;由于复合材料各项异性的特点,使其结构设计比金属结构更为复杂.对CJ828飞机的中央翼盒进行复合材料结构设计,强度校核后对复合材料结构设计进行优化.对比中央翼盒复合材料结构设计与金属结构设计,为我国大飞机中央翼盒结构设计做一些探索性工作.     

高结构效率的斜流压气机结构设计

针对高负荷斜流压气机的结构设计需求,引入和完善斜流叶盘的结构效率评估方法,用以协调各种设计要求和优化结构设计.基于提高结构效率的设计思想,提出“C”型和“M”型两种新型斜流叶盘结构方案,并通过平均应力值、振动鲁棒系数和轮缘变形协调系数3项的分析和结构效率系数的对比,论证了新型轮盘结构在减轻质量、提高可靠性和降低叶尖损失等方面的优势.分析结果表明:“M”型叶盘结构方案可使平均应力提高24.7%,质量降低20%,振动响应降低37.9%,轮缘最大变形降低67.6%.      

基于实验复模态参数的有限元模型修正

提出了一种利用非完备实验复模态参数,修正带有非比例阻尼矩阵结构有限元模型的迭代修正方法。首先,对处理困难的阻尼矩阵表达为质量与刚度矩阵的多项式组合,并给出了物理解释,被修正参数为该多项式的系数和结构的某些局部几何、材料参数,其修正结构物理意义明确,与结构的动态设计相适应,实例表明了本文修正方法的有效性。     

箔片摩擦对波箔型径向气体轴承静刚度和悬浮转速影响实验

加工制造了两个不同轴承壳体圆柱孔内表面的表面粗糙度的波箔型径向气体轴承.在建立的波箔型径向气体轴承性能测试实验台上对预紧状态下两个波箔型径向气体轴承进行了静刚度测试实验,并利用摩擦力矩法测量了波箔型径向气体轴承的悬浮转速,通过对比两个轴承的实验结果分析了波纹箔片和轴承壳体之间的摩擦效应对轴承静刚度和悬浮转速的影响.结果表明:降低轴承壳体圆柱孔内表面的表面粗糙度能够减弱波纹箔片和轴承壳体之间的摩擦,减小了轴承静刚度,进而在轴承载荷相同的条件下有效降低了波箔型径向气体轴承的悬浮转速,减少了轴承表面磨损,对轴承结构设计和提高轴承寿命具有工程指导意义.此外,波箔型径向气体轴承的静刚度并不是线性的,而是随着箔片变形量的增大而增大,因此有必要在波箔型径向气体轴承理论建模时考虑箔片结构刚度的非线性特性.      

厚顶箔的箔片动压轴承性能的数值研究

提出了一种具有厚顶箔特征的箔片动压轴承(TTF-GJFB),并对其进行了建模及分析。针对这种型轴承,采用Newton-Raphson迭代法求解静态气膜雷诺润滑方程和箔片受力方程;采用折合系数法和小扰动法,推导了厚顶箔轴承的动态刚度系数与动态阻尼系数。以此为基础,对厚顶箔轴承和传统箔片轴承进行了对比,并对初始轴承间隙、波箔宽度、顶箔质量对厚顶箔轴承动静态特性的影响进行了研究。结果表明:厚顶箔轴承比传统箔片轴承拥有较大的承载力及偏位角,承载力增幅至少为23%;厚顶箔轴承的动态特性与传统箔片轴承有较大差异;厚顶箔轴承的初始间隙会影响偏位角和承载力,小初始间隙在所有偏心率范围内可以提高承载力和减小偏位角;波箔宽度对轴承静态特性的影响较小,但对动态特性的影响较大,在中低激振比范围内,动态系数基本随着箔片宽度的变窄而变小;厚顶箔的质量会在高激振比下对轴承的动态特性产生影响,使得动态刚度系数上升,动态阻尼系数下降。     

Applications of structural efficiency assessment method on structural-mechanical characteristics integrated design in aero-engines

In the design process of advanced aero-engines, it is necessary to carry out an effective analysis method between structural features and mechanical characteristics for a better structural optimization. Based on the structural composition and functions of aero-engines, the concept and contents of structural efficiency can reflect the relation between structural features and mechanical characteristics. In order to achieve the integrated design of structural and mechanical characteristics, one quantitative analysis method called Structural Efficiency Assessment Method (SEAM) was put forward. The structural efficiency coefficient was obtained by synthesizing the parameters to quantitatively evaluate the aero-engine structure design level. Parameterization method to evaluate structural design quality was realized. After analyzing the structural features of an actual dual-rotor system in typical high bypass ratio turbofan engines, the mechanical characteristics and structural efficiency coefficient were calculated. Structural efficiency coefficient of high-pressure rotor (0.43) is higher than that of low-pressure rotor (0.29), which directly shows the performance of the former is better, there is room for improvement in structural design of the low-pressure rotor. Thus the direction of structural optimization was pointed out. The applications of SEAM shows that the method is operational and effective in the evaluation and improvement of structural design.     

小型太阳能无人机超大展弦比轻质主梁设计

太阳能无人机表面需要铺设太阳能电池,这就要求太阳能无人机的结构要同时满足不影响太阳能电池效率的光学特性和要达到足够强度、刚度的力学特性。文章针对小型太阳能飞机超大展弦比机翼进行轻质化结构设计,过程中充分考虑超大展弦比机翼的柔性变形,对比不同的设计方案并提出合理设计方案。