CN116776503B - 一种基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空发动机领域，提供了一种基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法，包括：获取中介机匣支板的叶片丢失径向载荷；获取中介机匣支板的危险截面面积；依据支板结构参数计算中介机匣支板的临界应力，采用临界应力和危险截面面积计算中介机匣支板的临界载荷；计算临界载荷与叶片丢失径向载荷的比值作为中介机匣支板的工作安全因素；给定稳定安全因数，并计算工作安全因素与稳定安全因素的比值；依据比值对中介机匣支板进行优化设计，直至获取满足支板强度设计要求的中介机匣支板。上述方法可用于方案设计阶段对叶片丢失载荷下中介机匣支板强度进行快速有效评估，用于指导中介机匣支板的设计。

Description

一种基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法
技术领域
本发明属于航空发动机领域，涉及中介机匣支板设计技术，具体涉及一种基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法。
背景技术
现代航空发动机依据气动热力性能和结构效率的综合需求，呈现出高载、轻质的设计特征，由于发动机结构承受的载荷异常复杂，因此对发动机的安全性和可靠性提出了更高的要求。
中介机匣作为航空发动机要的承力结构，要由外机匣、支板、分流环、内机匣、锥壁构成，承力结构通过其左右两侧安装节与飞机相连接。同时发动机工作过程中，叶片丢失时发动机可能遭遇的一种极度恶劣的极限工作载荷，当部分或者整个转子叶片断裂后飞出，会造成支板失稳的破坏模式，进而可能引起严重的安全隐患。因此，在叶片丢失载荷条件下时，中介机匣结构设计时支板强度设计是发动机结构完整性和安全性的重要指标。
目前，叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计是依据有限元分析得到的应力进行开展的，有限元分析模型比较复杂、且耗时长，不能满足在叶片丢失载荷下中介机匣支板强度快速有效评估的需求。
发明内容
本发明的目的在于公开一种基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法，该方法可以快速且高效的获得叶片丢失载荷条件下的支板发生失稳破坏的模式，实现快速有效的评估并为支板强度设计提供技术支撑。
实现发明目的的技术方案如下：一种基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法，包括以下步骤：
步骤1、获取中介机匣支板的叶片丢失径向载荷；
步骤2、获取中介机匣支板的危险截面面积；
步骤3、依据支板结构参数计算中介机匣支板的临界应力，采用临界应力和危险截面面积计算中介机匣支板的临界载荷；
步骤4、计算临界载荷与叶片丢失径向载荷的比值作为中介机匣支板的工作安全因素；
步骤5、给定稳定安全因数，并计算工作安全因素与稳定安全因素的比值；
步骤6、依据比值对中介机匣支板进行优化设计，直至获取满足支板强度设计要求的中介机匣支板。
进一步地，上述步骤1中，所述基于压气机总体载荷获取中介机匣支板的叶片丢失径向载荷，包括：
对发动机进行总体载荷仿真分析，依据仿真结果获取叶片丢失状态下中介机匣与各支点之间的安装边沿径向方向的总载荷，得到中介机匣支板的叶片丢失径向载荷；
或，依据发动机工作转速和转子叶片的质量及半径，通过公式计算叶片丢失径向载荷，其中，F为叶片丢失径向载荷，m为质量最大的转子叶片的质量，r为质量最大的转子叶片的半径，w为发动机的最大工作转速。
更进一步地，所述叶片丢失状态下中介机匣与各支点之间的安装边沿径向方向的总载荷，包括：
叶片丢失状态下，计算中介机匣与发动机前支点之间的安装边沿径向方向的第一载荷，以及中介机匣与发动机后支点之间的安装边沿径向方向的第二载荷，计算第一载荷与第二载荷的和作为总载荷；
其中，所述叶片丢失状态定义为在发动机处于最大转速时，风扇第一级转子叶片丢失的状态。
进一步地，上述步骤2中，所述获取中介机匣支板的危险截面面积，包括：
步骤21、获取中介机匣中所有支板的径向截面积；
步骤22、将径向截面积中面积最小的径向截面积作为危险截面面积。
进一步地，上述步骤3中，所述依据支板结构参数计算中介机匣支板的临界应力，采用临界应力和危险截面面积计算中介机匣支板的临界载荷，包括：
步骤31、依据支板结构参数中支板长度和惯性半径，根据公式计算中介机匣支板的临界应力/>，其中，a、b为材料直线公式的系数，通过材料手册获得；为径向截面最小的支板的长度因素，取值为0.5~1.0；/>为径向截面最小的支板的长度；/>为径向截面最小的支板的最小惯性半径；
步骤32、采用临界应力和危险截面面积，通过公式计算临界载荷其中，A为危险截面面积。
优选的，上述长度因素取值为0.7。
进一步地，上述步骤5中，所述稳定安全因数的取值为1.6。
更进一步地，步骤6中，所述依据比值对中介机匣支板进行优化设计，直至获取满足支板强度设计要求的中介机匣支板，包括：
当步骤5中计算的比值＜1时，则中介机匣支板强度不满足设计要求，对介机匣支板进行优化设计；
当步骤5中计算的比值≥1时，则中介机匣支板强度满足设计要求。
进一步地，当步骤5中计算的比值＜1时，在步骤6中对所述中介机匣支板进行优化设计的方法为增大径向截面最小的支板的危险截面面积和/或最小惯性半径，直至步骤5中计算的比值≥1。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公开的基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法，通过分析叶片丢失载荷下中介机匣的工作安全印象，并将中介机匣支板的工作安全因数由通用的1.5取值依据经验值调整到1.6，使得中介机匣支板在叶片丢失载荷不会发生失稳，确保中介机匣支板在叶片丢失载荷下的安全工作。且该方法已成功运用于某涡扇发动机中介机匣支板设计，并通过零部件试验验证表面在叶片丢失载荷下中介机匣支板不会发生失稳破坏，可以满足设计要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明公开的基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法的流程图；
图2为具体实施方式中计算机设备的示意图；
其中，201、存储器；202、处理器。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
本具体实施方式公开了一种基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法，参见图1所示，上述方法包括以下步骤：
步骤1、获取中介机匣支板的叶片丢失径向载荷。
叶片丢失径向载荷其中一种方法为可以通过仿真分析获得，即对发动机进行总体载荷仿真分析，依据仿真结果获取叶片丢失状态下中介机匣与各支点之间的安装边沿径向方向的总载荷，得到中介机匣支板的叶片丢失径向载荷。
具体来说，上述叶片丢失状态下中介机匣与各支点之间的安装边沿径向方向的总载荷，包括：
叶片丢失状态下，计算中介机匣与发动机前支点之间的安装边沿径向方向的第一载荷F1，以及中介机匣与发动机后支点之间的安装边沿径向方向的第二载荷F2，计算第一载荷F1与第二载荷F2的和作为总载荷F，也即。
另一种是通过发动机转子设计参数计算获得，具体为：依据发动机工作转速和转子叶片的质量及半径，通过公式计算叶片丢失径向载荷，其中，F为叶片丢失径向载荷，m为质量最大的转子叶片的质量，r为质量最大的转子叶片的半径，w为发动机的最大工作转速。
上述两种方法中，叶片丢失状态定义为在发动机处于最大转速时，风扇第一级转子叶片丢失的状态。
步骤2、获取中介机匣支板的危险截面面积。
其中，所述获取中介机匣支板的危险截面面积，包括：
步骤21、获取中介机匣中所有支板的径向截面积；
步骤22、将径向截面积中面积最小的径向截面积作为危险截面面积。
上述步骤中，中介机匣中所有支板的径向截面积是可以通过UG实体模型测量得到的。
步骤3、依据支板结构参数计算中介机匣支板的临界应力，采用临界应力和危险截面面积计算中介机匣支板的临界载荷。
本步骤中，临界载荷的一种可选的计算方法包括：
步骤31、依据支板结构参数中支板长度和惯性半径，根据公式计算中介机匣支板的临界应力/>，临界应力/>单位为Pa。其中，a、b为材料直线公式的系数，单位为Pa，通过材料手册获得；/>为径向截面最小的支板的长度因素，取值为0.5~1.0；/>为径向截面最小的支板的长度，单位为mm；/>为径向截面最小的支板的最小惯性半径，单位为mm；
步骤32、采用临界应力和危险截面面积，通过公式计算临界载荷其中，A为危险截面面积。
在一个优选的实施例中，上述长度因素取值为0.7。
步骤4、计算临界载荷与叶片丢失径向载荷的比值作为中介机匣支板的工作安全因素。
上述工作安全因素n的计算公式为。
步骤5、给定稳定安全因数，并计算工作安全因素与稳定安全因素的比值。
本步骤中，稳定安全因数的取值可以根据《航空发动机设计手册中载荷及机机匣承力件分析》得到，一般取值为1.5，本具体实施方式中，结合中介机匣支板压力稳定性试验结果，给定稳定安全因数的取值为1.6。
步骤6、依据比值对中介机匣支板进行优化设计，直至获取满足支板强度设计要求的中介机匣支板。
本步骤中，所述依据比值对中介机匣支板进行优化设计，直至获取满足支板强度设计要求的中介机匣支板，包括：
当步骤5中计算的比值＜1时，也即工作安全因素n小于1.6时，则中介机匣支板强度不满足设计要求，对中介机匣支板进行优化设计；
当步骤5中计算的比值≥1时，也即工作安全因素n大于等于1.6时，则中介机匣支板强度满足设计要求。
进一步地，当步骤5中计算的比值＜1时，在步骤6中对所述中介机匣支板进行优化设计的方法为增大径向截面最小的支板的危险截面面积和/或最小惯性半径，直至步骤5中计算的比值≥1。
本发明公开的基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法，通过分析叶片丢失载荷下中介机匣的工作安全印象，并将中介机匣支板的工作安全因数由通用的1.5取值依据经验值调整到1.6，使得中介机匣支板在叶片丢失载荷不会发生失稳，确保中介机匣支板在叶片丢失载荷下的安全工作。且该方法已成功运用于某涡扇发动机中介机匣支板设计，并通过零部件试验验证表面在叶片丢失载荷下中介机匣支板不会发生失稳破坏，可以满足设计要求。
在本具体实施方式中，还提供了一种计算机设备，参见图2所示，包括存储器201、处理器202及存储在存储器201上并可在处理器202上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法。
具体的，该计算机设备可以是计算机终端、服务器或者类似的运算装置。
在本具体实施方式中，还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法的计算机程序。
具体的，计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机可读存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读存储介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取中介机匣支板的叶片丢失径向载荷；
步骤2、获取中介机匣支板的危险截面面积；
步骤3、依据支板结构参数计算中介机匣支板的临界应力，采用临界应力和危险截面面积计算中介机匣支板的临界载荷；
步骤4、计算临界载荷与叶片丢失径向载荷的比值作为中介机匣支板的工作安全因素；
步骤5、给定稳定安全因数，并计算工作安全因素与稳定安全因素的比值；
步骤6、依据比值对中介机匣支板进行优化设计，直至获取满足支板强度设计要求的中介机匣支板。
2.根据权利要求1所述的基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法，其特征在于，步骤1中，所述获取中介机匣支板的叶片丢失径向载荷，包括：
对发动机进行总体载荷仿真分析，依据仿真结果获取叶片丢失状态下中介机匣与各支点之间的安装边沿径向方向的总载荷，得到中介机匣支板的叶片丢失径向载荷；
或，依据发动机工作转速和转子叶片的质量及半径，通过公式计算叶片丢失径向载荷，其中，F为叶片丢失径向载荷，m为质量最大的转子叶片的质量，r为质量最大的转子叶片的半径，w为发动机的最大工作转速。
3.根据权利要求2所述的基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法，其特征在于，所述叶片丢失状态下中介机匣与各支点之间的安装边沿径向方向的总载荷，包括：
叶片丢失状态下，计算中介机匣与发动机前支点之间的安装边沿径向方向的第一载荷，以及中介机匣与发动机后支点之间的安装边沿径向方向的第二载荷，计算第一载荷与第二载荷的和作为总载荷；
其中，所述叶片丢失状态定义为在发动机处于最大转速时，风扇第一级转子叶片丢失的状态。
4.根据权利要求1所述的基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法，其特征在于，步骤2中，所述获取中介机匣支板的危险截面面积，包括：
步骤21、获取中介机匣中所有支板的径向截面积；
步骤22、将径向截面积中面积最小的径向截面积作为危险截面面积。
5.根据权利要求1所述的基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法，其特征在于，步骤3中，所述依据支板结构参数计算中介机匣支板的临界应力，采用临界应力和危险截面面积计算中介机匣支板的临界载荷，包括：
步骤31、依据支板结构参数中支板长度和惯性半径，根据公式计算中介机匣支板的临界应力/>，其中，a、b为材料直线公式的系数，通过材料手册获得；/>为径向截面最小的支板的长度因素，取值为0.5~1.0；/>为径向截面最小的支板的长度；/>为径向截面最小的支板的最小惯性半径；
步骤32、采用临界应力和危险截面面积，通过公式计算临界载荷/>其中，A为危险截面面积。
6.根据权利要求1所述的基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法，其特征在于，步骤5中，所述稳定安全因数的取值为1.6。
7.根据权利要求1或6所述的基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法，其特征在于，步骤6中，所述依据比值对中介机匣支板进行优化设计，直至获取满足支板强度设计要求的中介机匣支板，包括：
当步骤5中计算的比值＜1时，则中介机匣支板强度不满足设计要求，对介机匣支板进行优化设计；
当步骤5中计算的比值≥1时，则中介机匣支板强度满足设计要求。
8.根据权利要求7所述的基于叶片丢失载荷下中介机匣支板强度设计方法，其特征在于，当步骤5中计算的比值＜1时，在步骤6中对所述中介机匣支板进行优化设计的方法为增大径向截面最小的支板的危险截面面积和/或最小惯性半径，直至步骤5中计算的比值≥1。
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