CN105975734A - 一种发动机外部支架优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机外部支架优化设计方法，包括S1：设计输入；S2：方案设计；S3：技术设计；S4：详细设计；S5：强度校核；S6：判定。本发明的发动机外部支架优化设计方法通过在设计阶段对发动机支架进行优化、减重及强度校核，使发动机支架在满足强度要去的基础上尽量的减轻重量，实现发动机轻量化的要求，使发动机的研发周期更短、性能更优，减少研发成本、缩短研发周期。

Description

一种发动机外部支架优化设计方法

技术领域

本发明属于航空发动机外部支架设计技术领域，尤其涉及一种发动机外部支架优化设计方法。

背景技术

从国内、外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，国内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

本发明的目的是提供一种发动机外部支架优化设计方法，用于解决上述问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种发动机外部支架优化设计方法，包括

S1：设计输入

按照支架在发动机上的使用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初始轮廓；

S2：方案设计

对所述初始轮廓进行拓扑分析，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，通过拓扑优化得到应力云图；

S3：技术设计

按照得到的应力云图对支架初始轮廓进行材料去除，保留传力路径上的材料布局，形成支架外形；

S4：详细设计

对所述支架外形进行多目标优化，设置应力为优化目标，质量最小为约束条件，得到支架结构参数；

S5：强度校核

按照支架强度校核准则，综合支架工作环境温度、材料属性对得到的支架结构参数进行静强度和模态计算；

S6：判定

利用支架静强度和疲劳强度校核准则对支架进行判定，若满足强度要求且强度储备系数满足预定要求时，即完成支架的设计；

若不满足强度要求且强度储备系数不满足预定要求时要求，重复步骤S2至S6进行设计迭代。

进一步地，步骤S4中，多优化目标包括尺寸优化和厚度优化。

进一步地，步骤S5中，支架强度校核准则包括：

(1)静强度评估准则

屈服安全系数：

极限安全系数：

式中，σ_0.2为材料屈服强度，σ_eq为折算应力，σ_b为抗拉强度；

(2)疲劳强度校核准则

对支架固有频率进行分析，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。

本发明的发动机外部支架优化设计方法通过在设计阶段对发动机支架进行优化、减重及强度校核，使发动机支架在满足强度要去的基础上尽量的减轻重量，实现发动机轻量化的要求，使发动机的研发周期更短、性能更优，减少研发成本、缩短研发周期。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明一实施例的发动机外部支架优化设计方法流程图。

图2为本发明一实施例的支架初始轮廓图。

图3为本发明一实施例的支架拓扑优化云图。

图4为本发明一实施例的支架外形图。

图5为本发明一实施例的支架强度仿真分析结果图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例型的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造型劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示为本发明的发动机外部支架优化设计方法的流程图，其中包括：

1)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，接口等设计一个支架的三维最大实体轮廓，如图2所示。

2)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，得到应力云图(如图3所示)。拓扑优化云图能够清楚地显示支架的载荷传递路径以及知道在什么位置削减材料比较合适。

3)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所示)。

4)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，最终得到支架的详细结构参数。

5)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，材料属性等对详细设计后的支架进行静强度和模态计算。经过仿真计算，材料最大应力为σeq＝350.8MPa，支架的第1阶固有频率为456.2Hz，如图5所示。

6)判定

利用支架静强度和疲劳强度校核准则对支架进行判定，如果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。

a)静强度评估准则为：

屈服安全系数：

极限安全系数：

b)疲劳强度校核准则：

本实施例中的发动机支架，按照静强度校核准则，满足要求。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(固有频率)进行分析，支架的第1阶固有频率为456.2Hz，在发动机最高工作转速频率的1.25倍以上，能够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，满足疲劳强度校核准则要求。

本发明的发动机外部支架优化设计方法通过在设计阶段对发动机支架进行优化、减重及强度校核，使发动机支架在满足强度要去的基础上尽量的减轻重量，实现发动机轻量化的要求，使发动机的研发周期更短、性能更优，减少研发成本、缩短研发周期。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种发动机外部支架优化设计方法，其特征在于，包括

S1：设计输入

按照支架在发动机上的使用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初始轮廓；

S2：方案设计

对所述初始轮廓进行拓扑分析，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，通过拓扑优化得到应力云图；

S3：技术设计

按照得到的应力云图对支架初始轮廓进行材料去除，保留传力路径上的材料布局，形成支架外形；

S4：详细设计

对所述支架外形进行多目标优化，设置应力为优化目标，质量最小为约束条件，得到支架结构参数；

S5：强度校核

按照支架强度校核准则，综合支架工作环境温度、材料属性对得到的支架结构参数进行静强度和模态计算；

S6：判定

利用支架静强度和疲劳强度校核准则对支架进行判定，若满足强度要求且强度储备系数满足预定要求时，即完成支架的设计；

若不满足强度要求且强度储备系数不满足预定要求时要求，重复步骤S2至S6进行设计迭代。

2.根据权利要求1所述的发动机外部支架优化设计方法，其特征在于，步骤S4中，多优化目标包括尺寸优化和厚度优化。

3.根据权利要求1所述的发动机外部支架优化设计方法，其特征在于，步骤S5中，支架强度校核准则包括：

(1)静强度评估准则

屈服安全系数：

极限安全系数：

式中，σ_0.2为材料屈服强度，σ_eq为折算应力，σ_b为抗拉强度；

(2)疲劳强度校核准则

对支架固有频率进行分析，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。