CN110598229B - 基于蒙特卡罗偏差评估的大型高速回转装备多级零部件优化方法 - Google Patents

基于蒙特卡罗偏差评估的大型高速回转装备多级零部件优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了基于蒙特卡罗偏差评估的大型高速回转装备多级零部件优化方法。本发明依据多级转子传递关系，获得各级转子间接触面的偏移量，根据同轴度公式计算出同轴度；计算出接触面的截面惯性矩，依据抗弯刚度公式，获得抗弯刚度；根据转子误差传递关系，获得转子不平衡量；采用蒙特卡洛法进而得到各级航空发动机转子的装配面跳动与最终多级转子几何同轴度、不平衡量、刚度的概率关系，实现航空发动机多级转子公差分配和抗弯刚度的优化。

Description

基于蒙特卡罗偏差评估的大型高速回转装备多级零部件优化 方法
技术领域
本发明属于机械装配技术领域，特别是涉及基于蒙特卡罗偏差评估的大型高速回转装备多级零部件优化方法。
背景技术
多级转子是航空发动机核心机主要装配测试对象，在部件加工精度满足要求的条件下，最终检验靠装配精度保证。发动机压气机由多级转子堆叠组成，如A380飞机配备的大型发动机遄达900工作时的高速旋转速度大于12500rpm，整机装配不同轴、不平衡量过大、整机刚度低必然会造成涡轮盘中心偏离发动机转动轴线，在这样的条件下会产生非常大的离心力，进而引起发动机强烈振动，因而保证多级转子同轴度、不平衡量和整机刚度是装配的重点和难点。
目前现有方法存在的问题为仅单独进行了刚度和同轴度的单目标优化，没有考虑不平衡参数，且未建立刚度、同轴度、不平衡量综合测量模型，不能做到综合刚度、同轴度、不平衡量三个参数的三目标优化。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的技术问题，提供了基于蒙特卡罗偏差评估的大型高速回转装备多级零部件优化方法。本发明所述方法解决了航空发动机转子刚度、同轴度、不平衡量三个参数公差合理分配的问题，改善了发动机性能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出基于蒙特卡罗偏差评估的大型高速回转装备多级零部件优化方法，
多级转子装配中，单级转子定位、定向误差会进行传递与累积，影响多级转子装配后的单级转子的累积偏移量，其中，n级转子装配后第k级转子累积偏移量可表示为：
Figure BDA0001937775060000011
式中dx0-k为n级转子装配后第k级转子测量面圆心在X轴方向上的累积偏移量；dy0-k为n级转子装配后第k级转子测量面圆心在Y轴方向上的累积偏移量；pi为第i级转子径向测量面圆心的理想位置向量；dpi为第i级转子径向测量面圆心位置的加工误差向量；Sri为第i级转子绕Z轴旋转θri角度的旋转矩阵；Sr1为单位矩阵；Sxj-1为第j-1级转静子基准平面绕X轴旋转θxj-1角度的旋转矩阵；Syj-1为第j-1级转静子基准平面绕Y轴旋转θyj-1角度的旋转矩阵，Srj-1为第j-1级转静子基准平面绕Z轴旋转θrj-1角度的旋转矩阵；
依据同轴度的ISO标准定义，n级转子装配后同轴度的表达式为：
Figure BDA0001937775060000021
装配后转子间装配接触面的截面惯性矩I为：
Figure BDA0001937775060000022
式中R为接触面外直径，r为接触面内直径，偏心量
Figure BDA0001937775060000023
偏心角dθ＝arctan(dy0-k/dx0-k)，转子抗弯刚度为EI，其中E为材料的弹性模量，得到抗弯刚度目标函数；
多级转子装配中，单级转静子定位、定向误差会进行传递与累积，影响多级转子装配后的不平衡量，其中，由各级转子定位、定向误差引起的第n级转子不平衡量表示为：
Figure BDA0001937775060000024
式中，Ux0-n为装配后第n级转子测量面在X轴方向上的不平衡量；Uy0-n为装配后第n级转子测量面在Y轴方向上的不平衡量；m0-n为装配后第n级转子的质量；
将单级转子自身不平衡量和装配过程中由定位和定向误差引入的不平衡量进行矢量相加，得到多级转子装配后任意一级转子的不平衡量，将各级转子不平衡量分别投影到两个校正面，依据动平衡公式合成不平衡量，即可建立多级转子不平衡量的预测模型；
依据蒙特卡洛法生成多级转子的装配面跳动数据10000组，将随机数带入多级转子同轴度、抗弯刚度和不平衡量的目标函数，旋转各级航空发动机的旋转角度，进而得到10000组多级转子的同轴度、抗弯刚度和不平衡量参数，根据绘制的分布函数求出概率密度函数，进而得到各级航空发动机转子的装配面跳动与最终多级转子同轴度、抗弯刚度和不平衡量的概率关系，实现航空发动机多级转子公差的分配和抗弯刚度的优化。
附图说明
图1是本发明基于蒙特卡罗偏差评估的大型高速回转装备多级零部件优化方法的流程图。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性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。
结合图1，本发明提出基于蒙特卡罗偏差评估的大型高速回转装备多级零部件优化方法，
多级转子装配中，单级转子定位、定向误差会进行传递与累积，影响多级转子装配后的单级转子的累积偏移量，其中，n级转子装配后第k级转子累积偏移量可表示为：
Figure BDA0001937775060000031
式中dx0-k为n级转子装配后第k级转子测量面圆心在X轴方向上的累积偏移量；dy0-k为n级转子装配后第k级转子测量面圆心在Y轴方向上的累积偏移量；pi为第i级转子径向测量面圆心的理想位置向量；dpi为第i级转子径向测量面圆心位置的加工误差向量；Sri为第i级转子绕Z轴旋转θri角度的旋转矩阵；Sr1为单位矩阵；Sxj-1为第j-1级转静子基准平面绕X轴旋转θxj-1角度的旋转矩阵；Syj-1为第j-1级转静子基准平面绕Y轴旋转θyj-1角度的旋转矩阵，Srj-1为第j-1级转静子基准平面绕Z轴旋转θrj-1角度的旋转矩阵；
依据同轴度的ISO标准定义，n级转子装配后同轴度的表达式为：
Figure BDA0001937775060000032
装配后转子间装配接触面的截面惯性矩I为：
Figure BDA0001937775060000033
式中R为接触面外直径，r为接触面内直径，偏心量
Figure BDA0001937775060000034
偏心角dθ＝arctan(dy0-k/dx0-k)，转子抗弯刚度为EI，其中E为材料的弹性模量，得到抗弯刚度目标函数；
多级转子装配中，单级转静子定位、定向误差会进行传递与累积，影响多级转子装配后的不平衡量，其中，由各级转子定位、定向误差引起的第n级转子不平衡量表示为：
Figure BDA0001937775060000035
式中，Ux0-n为装配后第n级转子测量面在X轴方向上的不平衡量；Uy0-n为装配后第n级转子测量面在Y轴方向上的不平衡量；m0-n为装配后第n级转子的质量；
将单级转子自身不平衡量和装配过程中由定位和定向误差引入的不平衡量进行矢量相加，得到多级转子装配后任意一级转子的不平衡量，将各级转子不平衡量分别投影到两个校正面，依据动平衡公式合成不平衡量，即可建立多级转子不平衡量的预测模型；
依据蒙特卡洛法生成多级转子的装配面跳动数据10000组，将随机数带入多级转子同轴度、抗弯刚度和不平衡量的目标函数，旋转各级航空发动机的旋转角度，进而得到10000组多级转子的同轴度、抗弯刚度和不平衡量参数，根据绘制的分布函数求出概率密度函数，进而得到各级航空发动机转子的装配面跳动与最终多级转子同轴度、抗弯刚度和不平衡量的概率关系，实现航空发动机多级转子公差的分配和抗弯刚度的优化。
本发明依据多级转子传递关系，获得各级转子间接触面的偏移量，根据同轴度公式计算出同轴度；计算出接触面的截面惯性矩，依据抗弯刚度公式，获得抗弯刚度；根据转子误差传递关系，获得转子不平衡量；采用蒙特卡洛法进而得到各级航空发动机转子的装配面跳动与最终多级转子几何同轴度、不平衡量、刚度的概率关系，实现航空发动机多级转子公差分配和抗弯刚度的优化。
以上对本发明所提供的基于蒙特卡罗偏差评估的大型高速回转装备多级零部件优化方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.基于蒙特卡罗偏差评估的大型高速回转装备多级零部件优化方法，其特征在于：
多级转子装配中，单级转子定位、定向误差会进行传递与累积，影响多级转子装配后的单级转子的累积偏移量，其中，n级转子装配后第k级转子累积偏移量可表示为：
Figure FDA0002640349190000011
式中dx0-k为n级转子装配后第k级转子测量面圆心在X轴方向上的累积偏移量；dy0-k为n级转子装配后第k级转子测量面圆心在Y轴方向上的累积偏移量；pi为第i级转子径向测量面圆心的理想位置向量；dpi为第i级转子径向测量面圆心位置的加工误差向量；Sri为第i级转子绕Z轴旋转θri角度的旋转矩阵；Sr1为单位矩阵；Sxj-1为第j-1级转静子基准平面绕X轴旋转θxj-1角度的旋转矩阵；Syj-1为第j-1级转静子基准平面绕Y轴旋转θyj-1角度的旋转矩阵，Srj-1为第j-1级转静子基准平面绕Z轴旋转θrj-1角度的旋转矩阵；
依据同轴度的ISO标准定义，n级转子装配后同轴度的表达式为：
Figure FDA0002640349190000012
装配后转子间装配接触面的截面惯性矩I为：
Figure FDA0002640349190000013
式中R为接触面外直径，r为接触面内直径，偏心量
Figure FDA0002640349190000014
偏心角θ＝arctan(dy0-k/dx0-k)，转子抗弯刚度为EI，其中E为材料的弹性模量，得到抗弯刚度目标函数；
多级转子装配中，单级转静子定位、定向误差会进行传递与累积，影响多级转子装配后的不平衡量，其中，由各级转子定位、定向误差引起的第n级转子不平衡量表示为：
Figure FDA0002640349190000015
式中，Ux0-n为装配后第n级转子测量面在X轴方向上的不平衡量；Uy0-n为装配后第n级转子测量面在Y轴方向上的不平衡量；m0-n为装配后第n级转子的质量；
将单级转子自身不平衡量和装配过程中由定位和定向误差引入的不平衡量进行矢量相加，得到多级转子装配后任意一级转子的不平衡量，将各级转子不平衡量分别投影到两个校正面，依据动平衡公式合成不平衡量，即可建立多级转子不平衡量的预测模型；
依据蒙特卡洛法生成多级转子的装配面跳动数据10000组，将随机数带入多级转子同轴度、抗弯刚度和不平衡量的目标函数，旋转各级航空发动机的旋转角度，进而得到10000组多级转子的同轴度、抗弯刚度和不平衡量参数，根据绘制的分布函数求出概率密度函数，进而得到各级航空发动机转子的装配面跳动与最终多级转子同轴度、抗弯刚度和不平衡量的概率关系，实现航空发动机多级转子公差的分配和抗弯刚度的优化。
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