CN109766638A - 一种燃油喷嘴及其轻量化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃油喷嘴的轻量化设计方法，燃油喷嘴包括安装板(1)、管身实体(2)、中间实体(3)、管路(4)及喷嘴(5)，方法包括：S1，建立燃油喷嘴的结构模型；S2，对结构模型中的安装板(1)、管身实体(2)和中间实体(3)进行轻量化设计，以使安装板(1)、管身实体(2)和中间实体(3)转化为桁架结构，生成优化结构模型；S3，对优化结构模型进行强度和刚度计算，若优化结构模型的强度和刚度满足预设要求则进行步骤S4，若优化结构模型的强度和刚度不满足预设要求则进行步骤S2；S4，根据优化结构模型生成燃油喷嘴。利用增材制造进行一体化轻量化设计和制造，既具有更好的燃油经济性，又可减轻重量，提高发动机推重比。

Description

一种燃油喷嘴及其轻量化设计方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种燃油喷嘴及其轻量化设计方法。

背景技术

传统设计制造体系下航空发动机零部件大多为了适于铣削、磨削等加工方式，而做出牺牲，其结构并非最优。而增材制造(3D打印)技术作为一种“无模敏捷制造”技术，可快速成型传统加工方式几乎不能加工的复杂结构零件。航空发动机燃油喷嘴作为非主承力零件非常适用于增材制造技术成型，在增材制造技术支撑下可使传统设计制造体系下航空发动机燃油喷嘴的20多个零件变成一个整体，实现一体化设计与制造，有效避免焊接等繁杂装配工艺，且具有更好的燃油经济性和更低的二氧化碳排放量。推重比是评价现代喷气式发动机性能好坏的重要指标，而发动机零部件的轻量化设计提高发动机推重比的有效途径。采用点阵等轻量化结构或拓扑优化技术重新进行航空发动机燃油喷嘴一体化设计，可在保证喷嘴强度、刚度等性能要求下，显著降低喷嘴重量。这种点阵等轻量化结构采用传统方式很难成型，而增材制造技术可轻松实现。一台航空发动机有多达几十个燃油喷嘴，多个喷嘴的轻量化设计对提高发动机推重比具有积极作用。同时喷嘴的轻量化设计可节约增材制造粉材用量，降低能源消耗，达到绿色制造和绿色使用的目的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种燃油喷嘴及其轻量化设计方法，至少解决现有技术中燃油喷嘴重量大，能源消耗多大的技术问题。

(二)技术方案

第一方面，本发明提供了一种燃油喷嘴的轻量化设计方法，燃油喷嘴包括安装板1、管身实体2、中间实体3、管路4及喷嘴5，其中，安装板1上设有固定结构，用于固定燃油喷嘴，管身实体2与中间实体3分别设于管路的外侧及内侧，用于为管路4提供支撑，以使管路4向喷嘴5提供燃料和/或气体，方法包括：S1，建立燃油喷嘴的结构模型；S2，对结构模型中的安装板1、管身实体2和中间实体3进行轻量化设计，以使安装板1、管身实体2和中间实体3转化为桁架结构，生成优化结构模型；S3，对优化结构模型进行强度和刚度计算，若优化结构模型的强度和刚度满足预设要求则进行步骤S4，若优化结构模型的强度和刚度不满足预设要求则进行步骤S2；S4，根据优化结构模型生成燃油喷嘴。

可选地，轻量化设计的方法包括点阵化设计方法或拓扑优化设计方法。

可选地，点阵化设计中，安装板1、管身实体2及中间实体3由基板及多个桁架组成，基板与多个桁架的每一桁架的夹角大于或等于45°。

可选地，若基板与多个桁架的每一桁架的夹角小于45°，则桁架的长度小于或等于2mm。

可选地，步骤S4具体为采用增材制造技术根据优化结构模型生成燃油喷嘴。

可选地，步骤S3中对优化结构模型进行强度和刚度计算具体为采用有限元分析方法对优化结构模型进行强度和刚度计算。

可选地，拓扑优化设计的方法包括：均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法或水平集方法中的一种。

另一方面，本发明还提供了一种燃油喷嘴，包括安装板1、管身实体2、中间实体3、管路4及喷嘴5，其中，安装板1上设有固定结构，用于固定燃油喷嘴，管身实体2与中间实体3分别设于管路的外侧及内侧，用于为管路4提供支撑，以使管路4向喷嘴5提供燃料和/或气体，安装板1、管身实体2以及中间实体3采用桁架结构设计。

可选地，桁架结构由点阵设计方法或拓扑优化设计方法设计而成。

可选地，桁架结构包括多个桁架和基板，基板与多个桁架的每一桁架的夹角大于或等于45°，若基板与多个桁架的每一桁架的夹角小于45°，则桁架的长度小于2mm。

(三)有益效果

本发明提供了一种燃油喷嘴及其轻量化设计方法，利用增材制造可轻易加工复杂结构的技术优势，可以在一体化设计的航空发动机喷嘴结构基础之上再进行轻量化设计，然后可采用增材制造技术加工成型，既具有更好的燃油经济性和更低的二氧化碳排放量，又可减轻重量，提高发动机推重比。同时喷嘴的轻量化设计可节约增材制造粉材用量，降低能源消耗，达到绿色制造和绿色使用的目的。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例中的一种燃油喷嘴的轻量化设计方法步骤图；

图2示意性示出了本发明实施例中图1中的燃油喷嘴的结构图；

图3示意性示出了本发明实施例中图2中所示的燃油喷嘴的安装板1和中间实体3进行优化后的示意图；

图4示意性示出了本发明实施例中图2中所示的燃油喷嘴的管身实体2进行优化后的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

第一方面，本发明提供了一种燃油喷嘴的轻量化设计方法，燃油喷嘴包括安装板1、管身实体2、中间实体3、管路4及喷嘴5，其中，安装板1上设有固定结构，用于固定燃油喷嘴，管身实体2与中间实体3分别设于管路4的外侧及内侧，用于为管路4提供支撑，以使管路4向喷嘴5提供燃料和/或气体，参见图1，方法包括：S1，建立燃油喷嘴的结构模型；S2，对结构模型中的安装板1、管身实体2和中间实体3进行轻量化设计，以使安装板1、管身实体2和中间实体3转化为桁架结构，生成优化结构模型；S3，对优化结构模型进行强度和刚度计算，若优化结构模型的强度和刚度满足预设要求则进行步骤S4，若优化结构模型的强度和刚度不满足预设要求则进行步骤S2；S4，根据优化结构模型生成所述燃油喷嘴。本发明实施例中以航空发动机的燃油喷嘴为例进行详细说明，但此方法不仅限于航空发动机的燃油喷嘴，凡是燃油喷嘴均在本发明的保护范围之内。

具体的，如图2所示，燃油喷嘴包括安装板1、管身实体2、中间实体3、管路4及喷嘴5，安装板1上设有固定结构如螺孔等，通过安装板1可将燃油喷嘴安装在航天发动机的合适位置，管身实体2和中间实体3分半位于管路4的内侧和外侧用于为管路4提供支撑，管路4用于向喷嘴5提供燃料或氧气等，管路4通常为圆形管路。

具体的，S1，建立燃油喷嘴的结构模型；

可以通过PRO/E、SolidWorks、UG等三维建模软件建立燃油喷嘴的结构模型。

S2，对结构模型中的安装板1、管身实体2和中间实体3进行轻量化设计，以使安装板1、管身实体2和中间实体3转化为桁架结构，生成优化结构模型；

步骤S1中，通过PRO/E、SolidWorks、UG等三维建模软件建立燃油喷嘴的结构模型，对燃油喷嘴的安装板1、管身实体2以及中间实体3进行轻量化优化设计，轻量化设计的方法包括点阵化设计方法或拓扑优化设计方法，拓扑优化设计是指在给定的载荷和约束条件下，以材料分布为优化对象，在材料均匀分布的设计空间中找到最佳的分布方案，可有效减轻喷嘴的重量，常用的拓扑优化方法包括：均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法、水平集方法等。点阵化设计方法是指由微桁架组成的多孔结构，其天然的多孔特性和可设计性，成为结构/功能一体化的优良载体，其桁架的直径、长短、角度等都可作为设计变量，以保证结构强度要求。通过优化后，使得安装板1、管身实体2以及中间实体3的实体结构转换为如图3和图4所示的桁架结构。这种点阵结构采用传统制造方式几乎不能加工，而通过增材制造技术可较轻易的实现。所述点阵化设计需要满足增材制造技术可加工性，点阵结构微桁架水平或近似水平时，已生成桁架无法为进一步桁架的生成提供支撑，一般要求桁架与基板角度大于或等于45°；或者当桁架与基板角度小于45°时，桁架的长度要小于或等于2mm。如此增材制造加工点阵结构时，不需要添加工艺支撑，省去了后续去除点阵结构内部工艺支撑难的问题。

由上可知，在轻量化设计中通过将原来的实体结构转变为由多个桁架和基板等组成的部分空心结构，有效降低了重量。

S3，对优化结构模型进行强度和刚度计算，若优化结构模型的强度和刚度满足预设要求则进行步骤S4，若优化结构模型的强度和刚度不满足预设要求则进行步骤S2；

采用有限元分析等方法对步骤S2中的优化结构模型进行强度和刚度的分析，若优化结构模型的强度和刚度满足预设要求则进行步骤S4，若优化结构模型的强度和刚度不满足预设要求则重新进行步骤S2，直至设计的优化结构模型满足强度和刚度的要求为止。

S4，根据优化结构模型生成所述燃油喷嘴。

根据步骤S3中设计的满足强度和刚度要求的优化结构模型通过采用增材制造技术生成燃油喷嘴，并对生成的燃油喷嘴进行性能测试，检验其可靠性。

通过本发明提供的燃油喷嘴的轻量化设计方法，在保证航空发动机喷嘴强度和刚度性能要求的前提下，采用适宜增材制造加工的拓扑优化结构和点阵优化结构，相对于无轻量化设计增材制造的喷嘴可减轻重量约20％。

另一方面，本发明提供了一种燃油喷嘴，包括安装板1、管身实体2、中间实体3、管路4及喷嘴5，其中，安装板1上设有固定结构，用于固定燃油喷嘴，管身实体2与中间实体3分别设于管路4的外侧及内侧，用于为管路4提供支撑，以使管路4向喷嘴5提供燃料和/或气体，安装板1、管身实体2以及中间实体3采用桁架结构设计，该桁架结构由点阵设计方法或拓扑优化设计方法设计而成，桁架结构包括由基板及多个桁架组成。桁架水平或近似水平时，已生成桁架无法为进一步桁架的生成提供支撑，一般要求桁架与基板角度大于或等于45°；或者当桁架与基板角度小于45°时，桁架的长度要小于或等于2mm。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃油喷嘴的轻量化设计方法，所述燃油喷嘴包括安装板(1)、管身实体(2)、中间实体(3)、管路(4)及喷嘴(5)，其中，安装板(1)上设有固定结构，用于固定所述喷嘴，所述管身实体(2)与所述中间实体(3)分别设于所述管路(4)的外侧及内侧，用于为所述管路提供支撑，以使所述管路向所述喷嘴(5)提供燃料和/或气体，其特征在于，所述方法包括：

S1，建立所述燃油喷嘴的结构模型；

S2，对所述结构模型中的安装板(1)、管身实体(2)和中间实体(3)进行轻量化设计，以使所述安装板(1)、管身实体(2)和中间实体(3)转化为桁架结构，生成优化结构模型；

S3，对所述优化结构模型进行强度和刚度计算，若所述优化结构模型的强度和刚度满足预设要求则进行步骤S4，若所述优化结构模型的强度和刚度不满足预设要求则进行步骤S2；

S4，根据所述优化结构模型生成所述燃油喷嘴。

2.根据权利要求1所述的燃油喷嘴的轻量化设计方法，其特征在于，所述轻量化设计的方法包括点阵化设计方法或拓扑优化设计方法。

3.根据权利要求2所述的燃油喷嘴的轻量化设计方法，其特征在于，所述点阵化设计中，所述安装板(1)、管身实体(2)及中间实体(3)由基板及多个桁架组成，所述基板与所述多个桁架的每一桁架的夹角大于或等于45°。

4.根据权利要求3所述的燃油喷嘴的轻量化设计方法，其特征在于，若所述基板与所述多个桁架的每一桁架的夹角小于45°，则所述桁架的长度小于或等于2mm。

5.根据权利要求1所述的燃油喷嘴的轻量化设计方法，其特征在于，步骤S4具体为采用增材制造技术根据所述优化结构模型生成所述燃油喷嘴。

6.根据权利要求1所述的燃油喷嘴的轻量化设计方法，其特征在于，步骤S3中对所述优化结构模型进行强度和刚度计算具体为采用有限元分析方法对所述优化结构模型进行强度和刚度计算。

7.根据权利要求1所述的燃油喷嘴的轻量化设计方法，其特征在于，所述拓扑优化设计的方法包括：均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法或水平集方法中的一种。

8.一种燃油喷嘴，包括安装板(1)、管身实体(2)、中间实体(3)、管路(4)及喷嘴(5)，其中，安装板(1)上设有固定结构，用于固定所述燃油喷嘴，所述管身实体(2)与所述中间实体(3)分别设于所述管路的外侧及内侧，用于为所述管路(4)提供支撑，以使所述管路(4)向所述喷嘴(5)提供燃料和/或气体，其特征在于，所述安装板(1)、管身实体(2)以及中间实体(3)采用桁架结构设计。

9.根据权利要求8所述的燃油喷嘴，其特征在于，所述桁架结构由点阵设计方法或拓扑优化设计方法设计而成。

10.根据权利要求8所述的燃油喷嘴，桁架结构包括多个桁架和基板，其特征在于，所述基板与所述多个桁架的每一桁架的夹角大于或等于45°，若所述基板与所述多个桁架的每一桁架的夹角小于45°，则所述桁架的长度小于或等于2mm。