CN115238389A - 一种航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于航空发动机设计领域，为一种航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法，在进行航空发动机的机动载荷分析时，通过先对转子部件和静子部件的结构进行分类，而后获得对应转静子部件的结构参数，这样在进行转静子结构模型的设计时，转子部件和静子部件的具体位置和基本参数已确定，这样模型大的框架已经定死，不需要再进行大量的理论假设，从而将不确定因素转化至较小的范围内进行计算，这样方案调整后模型修改便捷，不需要按部就班全部重新计算；载荷结果提取便捷，不需要再考虑载荷是否存在不平衡的问题；同时由于理论假设的减少，计算结果精度有明显提升。

Description

一种航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法
技术领域
本申请属于航空发动机设计领域，特别涉及一种航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法。
背景技术
对于整机的机动载荷，由于发动机整机和部件的结构不完全为静定结构，而且涉及的部件多，在计算过程中需要建立一定的假设，计算环节也比较繁琐，容易产生错误，所需完成工作的时间也比较长。
从效率角度，目前对于发动机在机动工况下各转静子部件的截面载荷，所采取的计算方法均是由发动机进口或出口开始向发动机内部逐一分析，导致发动机位于中间部位的零部件载荷计算效率不高，涉及到的截面简化也比较复杂。
因此，如何简单高效地计算航空发动机的机动载荷是一个需要解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供了一种航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法，以解决现有技术中航空发动机的机动载荷计算效率低、计算精度低的问题。
本申请的技术方案是：一种航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法，包括：确定航空发动机转静子部件的结构参数；选择单元类型，建立简化的转静子结构模型；将转静子结构模型输入至有限元分析软件中，结合实际发动机设计用的机动载荷工况进行转静子结构模型的计算，获得安装节载荷、支点载荷和各截面机动载荷的输出结果数据。
优选地，所述转静子部件结构参数的确定方法为：将转子部件和静子部件按照截面和所在位置进行分类；统计出所有静子部件的质量、质心和转动惯量。
优选地，所述转静子结构模型的单元类型设置为：设置两节点梁单元，每个节点设置6个自由度；设置质量单元，按照部件的质量、质心和转动惯量设置质量单元的实常数；设置弹簧单元，按照部件的质量、质心和转动惯量给出弹簧单元的刚度；按照部件的径向尺寸转静子部件的截面参数以及对应的材料属性。
优选地，所述梁单元的建立方法为：过发动机整机质心建立一条平行于X轴的梁单元L，梁单元L的两端分别对应风扇机匣前安装边和喷管出口处的轴向位置。
优选地，所述主辅安装节建立的具体方法为：在主安装节球头位置和每个推力拉杆靠近YZ主平面的两个端面、以及三个坐标点所在的YZ平面与梁单元的交点处建立节点a、b、c、f、g，按照推力拉杆的空间角度，建立节点b`、d`、c`、e`、d和e，并在d和e中点出建节点h；通过梁单元连接af、bg、cg、b`d`、c`e`和dhe，同时耦合bb`、dd`、cc`和ee`，使拉杆b`d`和c`e`为二力杆，并在a和h施加约束，其中节点a处约束侧向和垂向位移，h处约束轴向、侧向和垂向位移。
优选地，所述两节点梁单元的建立方法为：根据每个部件的质心位置和相对应的截面的轴向位置建立节点，部件截面取靠近整机质心一侧，机匣截面轴向位置取靠近燃烧室一侧的轴向坐标值，相邻两个节点之间通过梁单元连接。
优选地，所述高低转子模型建立的具体方法为：根据高低转子部件的相关数据，建立高压轴和低压轴，并在高压轴或低压轴上建立风扇转子、高压压气机转子、高压涡轮转子和低压涡轮转子质量单元，高低压轴上的节点分别与相应的梁单元上的节点通过弹簧单元连接，并且高压轴和低压轴分别与不同的梁单元重合。
本申请的一种航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法，在进行航空发动机的机动载荷分析时，通过先对转子部件和静子部件的结构进行分类，而后获得对应转静子部件的结构参数，这样在进行转静子结构模型的设计时，转子部件和静子部件的具体位置和基本参数已确定，这样模型大的框架已经定死，不需要再进行大量的理论假设，从而将不确定因素转化至较小的范围内进行计算，这样方案调整后模型修改便捷，不需要按部就班全部重新计算；载荷结果提取便捷，不需要再考虑载荷是否存在不平衡的问题；同时由于理论假设的减少，计算结果精度有明显提升。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请整体流程示意图；
图2为本申请静子截面结构示意图；
图3为本申请转子支承结构示意图；
图4为本申请转静子结构模型示意图；
图5为本申请主辅安装节模型示意图；
图6为本申请高低压转子模型示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
一种航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法，包括如下步骤：
步骤S100，确定航空发动机转静子部件的结构参数；
优选地，转静子部件结构参数的确定方法为：
将转子部件和静子部件按照截面和所在位置进行分类，分类结果如图2和图3所示，各个转子部件和静子部件的截面轴向和径向尺寸如表1所示：
表1截面尺寸
截面编号 X(mm) 外径(mm) 内径(mm)
B -0.49085 0.8935 0.866
G -0.11595 0.3535 0.3293
E -0.37865 0.2435 0.2315
W -0.12865 0.1585 0.137
H 0.43585 0.3394 0.3175
统计出所有静子部件的质量、质心和转动惯量，如表2所示：
表2各相关部件质量、质心和转动惯量
Figure BDA0003767716790000041
通过分类统计各个转静子部件的结构参数，这些结构参数通过采集实际的试验数据获得，通过以实际结构参数为基础进行模型建模，减少了大量的理论假设，为提升载荷的计算精度提供了基础。
步骤S200，选择单元类型，建立简化的转静子结构模型；
转静子结构模型的单元类型设置为：
1)beam188：设置两节点梁单元，每个节点设置6个自由度；
2)mass21：设置质量单元，按照部件的质量、质心和转动惯量设置质量单元的实常数；
3)combin14：设置弹簧单元，按照部件的质量、质心和转动惯量给出弹簧单元的刚度。
按照部件的径向尺寸转静子部件的截面参数以及对应的材料属性，通过分贝设置两节点梁单元、质量单元和弹簧单元，建立的转静子结构模型如图4所示。
转静子结构模型的具体建立过程为：
1)为减小偏心的影响，过发动机整机质心建立一条平行与X轴的梁单元L，用梁单元L模拟整个发动机的静子机匣，其两端分别对应风扇机匣前安装边和喷管出口处的轴向位置。
2)根据每个部件的质心位置和相对应的截面的轴向位置建立节点(node)，部件截面取靠近整机质心一侧，如高低压涡轮机匣，机匣截面轴向位置取靠近燃烧室一侧的轴向坐标值，并建在梁单元L上，两个节点之间通过梁单元连接。
3)主辅安装节建立：在主安装节球头的球心位置和每个推力拉杆靠近YZ主平面的两个端点以及以上三个坐标点所在YZ平面与梁单元L的交点处建立节点a、b、c、f、g，按照推力拉杆的空间角度，建立节点b`、d`、c`、e`、d和e，并在d和e中点出建节点h。
通过梁单元连接af、bg、cg、b`d`、c`e`和dhe，同时耦合bb`、dd`、cc`和ee`，使拉杆b`d`和c`e`为二力杆，并在a和h施加约束，其中节点a处约束侧向和垂向位移，h处约束轴向、侧向和垂向位移。
辅助安装节与主安装节的建立类似，约束是加在辅助安装节斜拉杆上端m、n和o处，约束侧向和垂向位移，如图5所示。
4)建立高低转子模型：根据高低转子部件的相关数据，建立高压轴和低压轴，并在高压轴或低压轴上建立风扇转子、高压压气机转子、高压涡轮转子和低压涡轮转子质量单元，高压轴与低压轴上的节点分别与相应的梁单元上的节点通过弹簧单元连接，并且高压轴和低压轴分别与不同的梁单元重合，如图6所示。
步骤S300，将转静子结构模型输入至有限元分析软件中，结合实际发动机设计用的机动载荷工况进行转静子结构模型的计算；
有限元分析软件可以为ansys软件或其它有限元分析软件，通过转静子结构模型的数据输入至有限元分析软件中，并添加载荷和约束后，有限元分析软件即可自动运算，并得出计算结果。
步骤S400，获得安装节载荷、支点载荷和各截面机动载荷的输出结果数据。
在进行航空发动机的机动载荷分析时，通过先对转子部件和静子部件的结构进行分类，而后获得对应转静子部件的结构参数，这样在进行转静子结构模型的设计时，转子部件和静子部件的具体位置和基本参数已确定，这样模型大的框架已经定死，不需要再进行大量的理论假设，从而将不确定因素转化至较小的范围内进行计算，这样方案调整后模型修改便捷，不需要按部就班全部重新计算；载荷结果提取便捷，不需要再考虑载荷是否存在不平衡的问题；同时由于理论假设的减少，计算结果精度有明显提升。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法，其特征在于，包括：
确定航空发动机转静子部件的结构参数；
选择单元类型，建立高低转子模型，形成简化的转静子结构模型；
将转静子结构模型输入至有限元分析软件中，结合实际发动机设计用的机动载荷工况进行转静子结构模型的计算，获得安装节载荷、支点载荷和各截面机动载荷的输出结果数据。
2.如权利要求1所述的航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法，其特征在于，所述转静子部件结构参数的确定方法为：
将转子部件和静子部件按照截面和所在位置进行分类；
统计出所有静子部件的质量、质心和转动惯量。
3.如权利要求1所述的航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法，其特征在于，所述转静子结构模型的单元类型建立方法为：
设置两节点梁单元，每个节点设置6个自由度；设置质量单元，按照部件的质量、质心和转动惯量设置质量单元的实常数；设置弹簧单元，按照部件的质量、质心和转动惯量给出弹簧单元的刚度；
按照部件的径向尺寸转静子部件的截面参数以及对应的材料属性。
4.如权利要求3所述的航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法，其特征在于：过发动机整机质心建立一条平行于X轴的梁单元L，梁单元L的两端分别对应风扇机匣前安装边和喷管出口处的轴向位置。
5.如权利要求3所述的航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法，其特征在于，所述主辅安装节建立的具体方法为：在主安装节球头位置和每个推力拉杆靠近YZ主平面的两个端面、以及三个坐标点所在的YZ平面与梁单元的交点处建立节点a、b、c、f、g，按照推力拉杆的空间角度，建立节点b`、d`、c`、e`、d和e，并在d和e中点出建节点h；
通过梁单元连接af、bg、cg、b`d`、c`e`和dhe，同时耦合bb`、dd`、cc`和ee`，使拉杆b`d`和c`e`为二力杆，并在a和h施加约束，其中节点a处约束侧向和垂向位移，h处约束轴向、侧向和垂向位移。
6.如权利要求3所述的航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法，其特征在于，所述两节点梁单元的建立方法为：根据每个部件的质心位置和相对应的截面的轴向位置建立节点，部件截面取靠近整机质心一侧，机匣截面轴向位置取靠近燃烧室一侧的轴向坐标值，相邻两个节点之间通过梁单元连接。
7.如权利要求3所述的航空发动机一维模型的机匣机动载荷分析方法，其特征在于，所述高低转子模型建立的具体方法为：根据高低转子部件的相关数据，建立高压轴和低压轴，并在高压轴或低压轴上建立风扇转子、高压压气机转子、高压涡轮转子和低压涡轮转子质量单元，高压轴与低压轴上的节点分别与相应的梁单元上的节点通过弹簧单元连接，并且高压轴和低压轴分别与不同的梁单元重合。
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