CN105718621A - 一种发动机外部支架优化设计方法 - Google Patents

Abstract

一种发动机外部支架优化设计方法，按照支架在发动机上的摆放位置及要求实现的支撑功能，接口设计一个支架的三维最大实体轮廓；对初始轮廓进行方案设计阶段的拓扑分析，创建约束，施加载荷，设置优化约束参数为最大许用应力；按照拓扑优化结果对支架设计初始轮廓进行材料去除，保留传力路径上的材料布局，形成技术设计阶段的支架外形；取支架外形尺寸和厚度参数进行多目标优化，设置应力为优化目标，质量最小为约束条件；满足强度要求且强度储备系数不过大时，完成设计，输出工程图样。本发明的优点：直接用于设计航空发动机外部支架，提高设计的合理性，保证支架满足航空发动机长寿命和高可靠性需要的前提下重量轻，选材合理。

Description

一种发动机外部支架优化设计方法

技术领域

本发明涉及涉及航空发动机外部支架设计领域，特别涉及了一种发动机外部支架优化设计方法。

背景技术

从航空发动机空中停车的故障统计数据看，50％故障是由于外部管路、导线、支架失效引起的，高居结构故障之首，可见外部系统安全可靠至关重要。

发动机外部附件和管路都需要支撑支架来定位和约束，支架的结构强度对于支撑功能的实现来说至关重要。尤其对一些高温区支架，恶劣的环境给支架选材的设计提出了更高地要求。同时发动机外部支架还要承受来自发动机的振动，极易产生疲劳破坏。如果支架自身有很大的应力集中或者强度储备系数过低，会影响到支架的工作可靠性和寿命。

目前，航空发动机外部支架传统设计方法，主要以实现结构功能为主，在结构形式上参照国外成熟的支架结构形式，缺乏对发动机外部支架强度的校核。零件结构强度往往是设计者根据经验作出必要的判断。这导致设计的支架很容易出现两方面问题：

1、支架强度储备系数不够。影响了支架的寿命，无法满足发动机的使用要求，甚至影响发动机的安全；

2、支架强度储备系数过高。设计的支架过重，增加发动机重量，影响发动机推重比指标。

目前，对于航空发动机外部支架设计的系统优化设计方法在国内尚未提出过；而国外的飞机/发动机公司由于技术保密等原因，也没有这方面公开发表的资料和专利。

发明内容

本发明的目的是在于提供航空发动机外部支架静强度校核准则和疲劳强度校核准则，采用拓扑优化方法对支架进行结构优化设计，综合考虑温度和振动等环境因素对支架材料性能的影响，设计出基于拓扑优化方法的发动机支架优化设计流程，特提供了一种发动机外部支架优化设计方法。

本发明提供了一种发动机外部支架优化设计方法，其特征在于：所述的发动机外部支架优化设计方法，包括：支架强度校核准则；

静强度评估准则为：

屈服安全系数：

$n_{0.2}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{0.2}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{eq}}}\≥1.2$

极限安全系数：

$n_b=\frac{{\mathrm{\σ}}_b}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{eq}}}\≥1.5$

疲劳强度校核准则：

利用航空发动机高压转子极限转速计算出发动机最大工作转速频率；对支架模态的固有频率进行分析，要求支架的第1阶固有频率在发动机最高工作转速频率的1.25倍以上，以避免支架工作过程中与航空发动机产生共振，减少支架产生疲劳破环的可能性；

所述的发动机外部支架优化设计方法的设计过程：

步骤一、设计输入：首先，按照支架在发动机上的摆放位置及要求实现的支撑功能，接口设计一个支架的三维最大实体轮廓，如图2；

步骤二、方案设计：对初始轮廓进行方案设计阶段的拓扑分析，如图3，创建约束，施加载荷，设置优化约束参数为最大许用应力，设置质量减重目标，通过拓扑优化，得到力的传递路径，同时可以知道在什么位置削减材料比较合适；

步骤三、技术设计：按照拓扑优化结果对支架设计初始轮廓进行材料去除，保留传力路径上的材料布局，形成技术设计阶段的支架外形，如图4；

步骤四、详细设计：取支架外形尺寸和厚度参数进行多目标优化，设置应力为优化目标，质量最小为约束条件；

步骤五、强度校核：按照支架强度校核准则，综合考虑支架工作环境温度，材料属性等参数对详细设计后的支架进行静强度和模态计算；

步骤六、判定：满足强度要求且强度储备系数不过大时，完成设计，输出工程图样；不满足要求，重新进行设计迭代。

本发明的优点：

本发明所述的发动机外部支架优化设计方法，直接用于设计航空发动机外部支架，提高设计的合理性，保证支架满足航空发动机长寿命和高可靠性需要的前提下重量轻，选材合理。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为航空发动机外部支架创新设计方法流程图；

图2为支架设计初始轮廓；

图3为拓扑优化云图；

图4为技术设计阶段支架外形。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种发动机外部支架优化设计方法，其特征在于：所述的发动机外部支架优化设计方法，包括：支架强度校核准则；静强度评估准则为：

屈服安全系数：

$n_{0.2}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{0.2}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{eq}}}\≥1.2$

极限安全系数：

$n_b=\frac{{\mathrm{\σ}}_b}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{eq}}}\≥1.5$

疲劳强度校核准则：

利用航空发动机高压转子极限转速计算出发动机最大工作转速频率；对支架模态的固有频率进行分析，要求支架的第1阶固有频率在发动机最高工作转速频率的1.25倍以上，以避免支架工作过程中与航空发动机产生共振，减少支架产生疲劳破环的可能性；

所述的发动机外部支架优化设计方法的设计过程：

步骤一、设计输入：首先，按照支架在发动机上的摆放位置及要求实现的支撑功能，接口设计一个支架的三维最大实体轮廓，如图2；

步骤二、方案设计：对初始轮廓进行方案设计阶段的拓扑分析，如图3，创建约束，施加载荷，设置优化约束参数为最大许用应力，设置质量减重目标，通过拓扑优化，得到力的传递路径，同时可以知道在什么位置削减材料比较合适；

步骤三、技术设计：按照拓扑优化结果对支架设计初始轮廓进行材料去除，保留传力路径上的材料布局，形成技术设计阶段的支架外形，如图4；

步骤四、详细设计：取支架外形尺寸和厚度参数进行多目标优化，设置应力为优化目标，质量最小为约束条件；

步骤五、强度校核：按照支架强度校核准则，综合考虑支架工作环境温度，材料属性等参数对详细设计后的支架进行静强度和模态计算；

步骤六、判定：满足强度要求且强度储备系数不过大时，完成设计，输出工程图样；不满足要求，重新进行设计迭代。

Claims (1)

1.一种发动机外部支架优化设计方法，其特征在于：所述的发动机外部支架优化设计方法，包括：支架强度校核准则；

静强度评估准则为：

屈服安全系数：

$n_{0.2}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{0.2}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{eq}}}\≥1.2$

极限安全系数：

$n_b=\frac{{\mathrm{\σ}}_b}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{eq}}}\≥1.5$

疲劳强度校核准则：

利用航空发动机高压转子极限转速计算出发动机最大工作转速频率；对支架模态的固有频率进行分析，要求支架的第1阶固有频率在发动机最高工作转速频率的1.25倍以上，以避免支架工作过程中与航空发动机产生共振，减少支架产生疲劳破环的可能性；

所述的发动机外部支架优化设计方法的设计过程：

步骤一、设计输入：首先，按照支架在发动机上的摆放位置及要求实现的支撑功能，接口设计一个支架的三维最大实体轮廓；

步骤二、方案设计：对初始轮廓进行方案设计阶段的拓扑分析，创建约束，施加载荷，设置优化约束参数为最大许用应力，设置质量减重目标，通过拓扑优化，得到力的传递路径，同时可以知道在什么位置削减材料比较合适；

步骤三、技术设计：按照拓扑优化结果对支架设计初始轮廓进行材料去除，保留传力路径上的材料布局，形成技术设计阶段的支架外形；

步骤四、详细设计：取支架外形尺寸和厚度参数进行多目标优化，设置应力为优化目标，质量最小为约束条件；

步骤五、强度校核：按照支架强度校核准则，综合考虑支架工作环境温度，材料属性等参数对详细设计后的支架进行静强度和模态计算；

步骤六、判定：满足强度要求且强度储备系数不过大时，完成设计，输出工程图样；不满足要求，重新进行设计迭代。