CN113486561B - 一种基于应变能分布的发动机转子动力学特性改善方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于应变能分布的发动机转子动力学特性改善方法，涉及航空发动机转子动力学技术领域，在设计阶段从应变能密度分布角度来改变转子刚度，通过不断对转子应变能薄弱位置的结构进行优化，对弯曲临界转速提升效果显著。简化转子结构动力学特性优化流程，能够在基本不改变总体结构布局的前提下，快速迭代优化设计出满足设计要求的转子结构。本发明设计方法简单，非常适合工程设计应用，适用范围广，可用于航空发动机、燃气轮机中心拉杆转子‑支承系统动力学设计。

Description

一种基于应变能分布的发动机转子动力学特性改善方法
技术领域
本发明属于航空发动机和燃气轮机转子动力学技术领域，涉及一种基于应变能分布的发动机转子动力学特性改善方法。
背景技术
航空发动机转子动力学设计是航空发动机设计的核心技术之一，转子-支承系统的振动特性是航空发动机高性能、高可靠性的保障。随着航空发动机推重比不断提高，尽可能减轻结构质量，使得转子和支承结构刚度下降，为转子动力学设计带来更大挑战。
在设计阶段调整支承刚度是一种最常用的临界转速优化措施，但当支承刚度高于某一定值时，会使转子刚体振型弯曲应变能过大，呈现弯曲较大的振型，对振动不利。常常仅通过支承刚度调整无法达到转子动力学设计要求，此时就需要改变转子的结构参数来调整转子刚度。当发动机的总体方案及部件的气动设计已经确定的情况下，调整范围较窄，且影响因素众多，使得临界转速优化较为困难。若重新设计转子-支承结构必然会延长设计周期，增加设计难度，亟需一种高效转子动力学特性改善方法。
发明内容
针对现有技术中的技术缺陷，本发明提供一种基于应变能分布的发动机转子动力学特性改善方法，以解决在设计过程中转子临界转速优化困难的问题。通过不断对转子应变能薄弱位置的结构进行优化，进一步提高临界转速，改善转子动力学特性，能够在基本不改变总体结构布局的前提下，快速迭代优化设计出满足设计要求的转子结构。适用于航空发动机、燃气轮机转子-支承系统动力学特性设计。
本发明为解决其技术问题所采用的一种基于应变能分布的发动机转子动力学特性改善方法，该方法实现步骤如下：
SS1.基于待优化的转子-支承结构的二维几何模型，记为模型i＝1，建立转子动力学模型；
SS2.对转子-支承系统进行转子动力学计算，分析不同支承刚度对临界转速、转子应变能的影响规律，选取合适的支承刚度；
SS3.判断弯曲临界转速、转子应变能是否满足转子动力学安全裕度。若否，则进入步骤SS4；若是则完成转子动力学设计；
SS4.计算转子应变能密度，获得应变能分布，提取最大应变能密度位置Ai，分析其不同厚度对临界转速的影响规律，确定应变能密度最大位置处的调整方案；
SS5.增加应变能密度最大位置处厚度，记为方案i+1，并返回步骤SS2，直至弯曲临界转速大于最大工作转速，并满足安全裕度，得到最终转子模型。
在进一步地实施方案中，所述步骤SS1中，基于中心拉杆转子-支承结构的几何模型，通过定义单元类型、集中质量、支承刚度、划分网格，建立转子动力学有限元模型。
在进一步地实施方案中，所述步骤SS2中，进行转子动力学计算是基于转子动力学计算分析程序Samcef实现的。
在进一步地实施方案中，所述步骤SS4中，不同厚度对临界转速的影响规律为：提高临界转速可通过增大最大应变能位置处厚度实现，且对弯曲临界转速提升效果最明显。
在进一步地实施方案中，所述步骤SS5中，应变能最大位置处每次调整的厚度控制在0.5～2mm。
本发明提供了一种基于应变能分布的发动机转子动力学特性改善方法，在设计阶段从应变能密度分布角度来改变转子刚度，通过不断对转子应变能薄弱位置的结构进行优化，对弯曲临界转速提升效果显著。简化转子结构动力学特性优化流程，能够在基本不改变总体结构布局的前提下，快速迭代优化设计出满足设计要求的转子结构。本发明设计方法简单，非常适合工程设计应用，适用范围广，可用于航空发动机、燃气轮机中心拉杆转子-支承系统动力学设计。
说明书附图
图1为本发明实施例的一种基于应变能分布的发动机转子动力学特性改善方法流程图；
图2为本发明实施例所针对的转子-支承系统结构示意图；
图3为本发明实施例优化前后部分结构应变能密度分布示意图；
图4为本发明实施例所针对的转子优化前后临界转速对比图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的内容不局限于下面的实施例。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。
依据如图1所示的实施流程，实现了对发动机转子-支承系统动力学设计，包括以下步骤：
SS1.基于待优化的转子-支承结构的二维几何模型，如图2所示。该模型记为方案i＝1，通过定义单元类型、集中质量、支承刚度、划分网格，建立转子动力学有限元模型；
SS2.对转子-支承系统进行转子动力学计算，分析不同支承刚度对临界转速、转子应变能的影响规律，选取合适的支承刚度，使临界转速尽可能的避开或接近发动机工作转速；
SS3.判断弯曲临界转速、转子应变能是否满足转子动力学安全裕度。若否，则进入步骤SS4；若是则完成转子动力学设计；
SS4.计算转子应变能密度，获得应变能分布，提取最大应变能密度位置Ai，分析其不同厚度对临界转速的影响规律，确定应变能密度最大位置处的调整方案；
SS5.增加应变能密度最大位置处厚度，如图3所示为优化前后应变能分布对比，记为方案i+1，并返回步骤SS2，直至弯曲临界转速大于最大工作转速，并满足安全裕度，得到最终转子模型。图4为优化前后模型临界转速对比，通过采用本专利提出的改善方法提高转子临界转速，使得弯曲临界转速调出工作转速范围。
综上所述，本发明提出的基于应变能分布的发动机转子动力学特性改善方法，在设计阶段从应变能密度分布角度来改变转子刚度，通过不断对转子应变能薄弱位置的结构进行优化，对弯曲临界转速提升效果显著。简化转子结构动力学特性优化流程，能够在基本不改变总体结构布局的前提下，快速迭代优化设计出满足设计要求的转子结构。本发明设计方法简单，非常适合工程设计应用，适用范围广，可用于航空发动机、燃气轮机中心拉杆转子-支承系统动力学设计。
此外，需要说明的是，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于应变能分布的发动机转子动力学特性改善方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：
SS1.基于待优化的转子-支承结构的二维几何模型，记为模型i＝1，建立转子动力学模型；
SS2.对转子-支承系统进行转子动力学计算，分析不同支承刚度对临界转速、转子应变能的影响规律，选取合适的支承刚度；
SS3.判断弯曲临界转速、转子应变能是否满足转子动力学安全裕度；若否，则进入步骤SS4；若是则完成转子动力学设计；
SS4.计算转子应变能密度，获得应变能分布，提取最大应变能密度位置，分析其不同厚度对临界转速的影响规律，确定应变能密度最大位置处的调整方案；
SS5.增加应变能密度最大位置处厚度，记为方案i+1，并返回步骤SS2，直至弯曲临界转速大于最大工作转速，并满足安全裕度，得到最终转子模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于应变能分布的发动机转子动力学特性改善方法，其特征在于，所述步骤SS1中，基于中心拉杆转子-支承结构的几何模型，通过定义单元类型、集中质量、支承刚度、划分网格，建立转子动力学有限元模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于应变能分布的发动机转子动力学特性改善方法，其特征在于，所述步骤SS2中，进行转子动力学计算是基于转子动力学计算分析程序Samcef实现的。
4.根据权利要求1所述的一种基于应变能分布的发动机转子动力学特性改善方法，其特征在于，所述步骤SS4中，不同厚度对临界转速的影响规律为：提高临界转速可通过增大最大应变能位置处厚度实现，且对弯曲临界转速提升效果最明显。
5.根据权利要求1所述的一种基于应变能分布的发动机转子动力学特性改善方法，其特征在于，所述步骤SS5中，应变能最大位置处每次调整的厚度控制在0.5～2mm。
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