一种航空发动机转子结构力学特性定量评估方法

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转子结构力学特性定量评估方法。

背景技术

随着飞行器飞行马赫数的提高以及航空涡轮风扇发动机单位参数的提高，发动机内部的工作应力与环境温度越来越高，发动机使用条件越来越苛刻。这样就对发动机的部件在结构完整性上提出了更高的要求。

航空涡轮风扇发动机结构设计是通过设计使得所有结构件满足结构完整性要求的理论、方法和技术的总和。结构设计是发动机设计的起始点和落脚点，转子结构设计对发动机技术指标和结构可靠性的实现有关键性的影响。因此对转子结构的力学特性进行系统、准确评估是衡量发动机结构布局和结构设计完整性的重要手段和保障。转子结构设计与分析评估，即分析和优化转子结构几何构型、支承方案、支承刚度和连接结构，使得转子系统获得合理的动力学特性。

以往在航空涡轮风扇发动机的结构设计上，虽然对结构的强度、刚度和振动等方面进行了大量的理论分析和试验研究，并通过设计强度和振动的安全裕度，来保障结构能够安全可靠的实现规定的功能。但是，对于具有一定功能的转子零部件，能够满足其强度、刚度和振动等动力特性要求的结构设计方案可能有很多种，哪一种更有利于提高发动机的性能和可靠性，却无法选择。因为缺乏对转子结构进行系统和定量分析评估的方法和手段。

发明内容

本申请的目的是提供了一种航空发动机转子结构力学特性定量评估方法，以解决现有技术中缺乏对转子结构进行系统和定量分析评估的方法和手段的问题。

本申请的技术方案是：一种航空发动机转子结构力学特性定量评估方法，包括：进行转子结构的方案设计，获取当前阶段转子结构的边界条件，设置方案设计标准集，进行转子结构的承载能力评估，所述承载能力评估包括转子结构的平均应力系数和应力分布系数，判断承载能力评估中的各项参数是否均满足方案设计标准集内对应标准，若是，则进行下一阶段设计；进行转子结构的技术设计，获取当前阶段转子结构的边界条件，设置技术设计标准集，进行转子结构的承载能力评估和抗变形能力评估，所述抗变形能力评估包括转子抗弯刚度分布、转子等效刚度和极限惯性载荷下转子最大变形量，判断承载能力评估和抗变形能力评估中的各项参数是否均满足技术设计标准集内对应标准，若是，则进行下一阶段设计；进行转子结构的产品设计，获取当前阶段转子结构的边界条件，设置产品设计标准集，进行转子结构的承载能力评估、抗变形能力评估和力学环境适应能力评估，所述力学环境适应能力评估包括转子刚度/质量协调因子和转子共振转速应变能分布，判断承载能力评估、抗变形能力评估和力学环境适应能力评估中的各项参数是否满足产品设计标准集内对应标准，若是，则完成转子结构的设计。

优选地，所述方案设计阶段的边界条件包括转子结构中各单元的应力σ

所述平均应力的计算公式为：

其中，σ

进行归一化处理，得到平均应力系数的计算公式为：

所述应力分布系数的计算公式为：

优选地，所述技术设计阶段的边界条件包括：各截面材料所对应的弹性模量和惯性矩、转子指定截面上的等效刚度K

所述转子抗弯刚度分布的计算公式为：f(E

所述转子等效刚度的计算公式为：

优选地，所述发动机转子-支承系统工作转速范围内共存在i阶共振转速，所述产品设计阶段的边界条件包括：转子结构各子结构的等效刚度和等效质量、第i阶共振转速时转子所具有的弯曲应变能W

所述转子刚度/质量协调因子的计算公式为：

所述转子共振转速应变能分布的计算公式为：

本申请的一种航空发动机转子结构力学特性定量评估方法，在承力结构的方案设计阶段进行承力结构的承载能力评估，在技术设计阶段进行承力结构的承载能力评估和抗变形能力评估，在产品设计阶段进行承力结构的承载能力评估、抗变形能力评估和力学环境适应能力评估；可快速实现对转子结构布局及设计结果的定量评估，从而为转子结构设计及方案快速、准确的迭代提供了重要的方法和手段；能够有效保证转子的承载能力、抗弯曲性能和环境适应能力，提升转子结构的工作性能。

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。

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。

一种航空发动机转子结构力学特性定量评估方法，其内涵在于准确描述结构系统在工作过程中对环境/条件的综合适应能力，包括转子结构承载能力评估、转子结构抗变形能力评估、转子结构力学环境适应能力评估三方面内容。

转子结构设计大致包括三个阶段：方案设计-技术设计-产品设计，方案设计阶段用于设计出满足要求的基本结构框架，技术设计阶段用于对基本结构框架的细节进行设计，产品设计阶段用于对承力结构的所有结构进行完善。

同一参数在不同阶段下的数值会发生变化，因此，在不同的阶段需要对同一参数进行再次的采集。

如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤S100，进行转子结构的方案设计，获取当前阶段转子结构的边界条件，设置方案设计标准集，进行转子结构的承载能力评估，所述承载能力评估包括转子结构的平均应力系数和应力分布系数，判断承载能力评估中的各项参数是否均满足方案设计标准集内对应标准，若是，则进行下一阶段设计；

结构的承载能力评估主要是在工作环境下，对结构使用材料和结构几何形式对其承受载荷能力的影响程度的评估，即在最小的质量下，通过结构几何形状的优化和材料的合理选择，使其具有最大的承载能力(结构的平均应力水平最高)。对于转子承载能力的评估，可以转化为对轮盘承载能力的评估。轮盘承载旋转惯性载荷的能力是控制结构形状、尺寸和质量最敏感的因素，因此以转子结构(或轮盘)的平均应力系数和应力分布系数代表转子结构的承载能力进行评估是合理的。

方案设计阶段的边界条件包括转子结构中各单元的应力σ

1)平均应力系数

平均应力的计算公式为：

其中，σ

为便于比较，进行归一化处理，得到平均应力系数的计算公式为：

平均应力系数能够代表结构受载能力与质量间的关系，也即是，其中每个单元的应力越大，平均应力系数也越大；单元材料的需用应力越大，平均应力系数越小。

2)应力分布系数

应力分布系数是指在工作状态下转子结构最大应力和最小应力范围内，各应力水平所占结构体积的比例关系。所述应力分布系数的计算公式为：

由于数值仿真结果是离散的，在计算可以将总应力分布离散成有限个区间[σ

可以得出，当结构的总体积越大，应力分布系数越小；一应力区间所占用的体积越大，应力分布系数也就越大。

若其中任一参数不满足设计标准要求，则对该参数对应的结构进行修正，并再次进行承力能力的评估，重复该流程，直至完成该阶段的设计。

步骤S200，进行转子结构的技术设计，获取当前阶段转子结构的边界条件，设置技术设计标准集，进行转子结构的承载能力评估和抗变形能力评估，所述抗变形能力评估包括转子抗弯刚度分布、转子等效刚度和极限惯性载荷下转子最大变形量，判断承载能力评估和抗变形能力评估中的各项参数是否均满足技术设计标准集内对应标准，若是，则进行下一阶段设计；

根据航空涡轮风扇发动机转子系统的结构特征，在结构设计中对转子结构的抗变形能力的主要求是：1)在横向具有良好的弯曲刚性；2)对于盘轴连接处具有良好的角刚度；3)极限惯性载荷下转子最大变形量，因此分别对该三项进行测量。

技术设计阶段的边界条件包括：各截面材料所对应的弹性模量和惯性矩、转子指定截面上的等效刚度K

1)转子抗弯刚度分布

转子抗弯刚度分布可以反映转子结构几何形状(不考虑支承的影响)对抗弯刚度的影响及沿轴向分布特征，从而表征了转子结构特征对其刚性的影响关系，转子抗弯刚度分布的计算公式为：

f(E

其中，E

2)转子等效(比)刚度

转子等效比刚度是指转子系统单位质量在指定截面上能够提供的等效弯曲刚度，用于描述转子系统(几何与材料)本身弯曲刚度与结构质量之间的比例关系。所述转子等效刚度的计算公式为：

K

3)极限惯性载荷下转子最大变形量

极限惯性载荷作用下转子的最大变形量，是所设计的发动机在规定的最大过载/机动飞行时所产生的惯性载荷作用下产生的最大横向变形或角度变形，该值反映结构对质量和刚度分布影响的综合抗变形的能力。该计算方式为本领域的通用计算方式，具体不再赘述。

技术设计阶段中的承载能力评估和抗变形能力评估中的任一项参数不满足技术设计标准集内的对应标准时，均对该参数对应的结构进行修正，并再次进行承力能力或抗变形能力的评估，重复该流程，直至完成该阶段的设计。

步骤S300，进行转子结构的产品设计，获取当前阶段转子结构的边界条件，设置产品设计标准集，进行转子结构的承载能力评估、抗变形能力评估和力学环境适应能力评估，所述力学环境适应能力评估包括转子刚度/质量协调因子和转子共振转速应变能分布，判断承载能力评估、抗变形能力评估和力学环境适应能力评估中的各项参数是否满足产品设计标准集内对应标准，若是，则完成转子结构的设计。

转子结构力学环境适应能力，即结构动力敏感度特征是反映转子系统对其内部和外部周期激振力的响应程度。转子系统力学环境适应能力的评估，可以分为二个方面：一是对转子系统防止共振安全裕度的评估；二是对共振状态下转子系统能量分布及其可能的损伤程度的评估。因此，为了充分反映转子结构力学环境适应能力(动力敏感度)，以转子刚度/质量协调因子及其散度和转子共振转速下应变能分布等参数进行评估。

发动机转子-支承系统工作转速范围内共存在i阶共振转速，所述产品设计阶段的边界条件包括：转子结构各子结构的等效刚度和等效质量、第i阶共振转速时转子所具有的弯曲应变能W

该阶段需要同时采集步骤S100-S200中的所有参数，并按照步骤S100中的方法再次进行承载能力评估；按照步骤S200中的方法再次进行抗变形能力评估。

1)转子刚度/质量协调因子和散度

刚度/质量协调因子(简称M-H因子)，单位与圆频率单位相同(弧度/秒)，可以用于反映各子结构动力特性之间的相互相近性和耦合程度。

所述转子刚度/质量协调因子的计算公式为：

其中，k

2)转子共振转速应变能分布

转子共振转速应变能分布是指，在最高工作转速以内各阶共振转速所对应的转子弯曲应变能与总应变能之比。所述转子共振转速应变能分布的计算公式为：

转子共振转速应变能代表转子-支承系统中转子所占应变能比重，当W

产品设计阶段的承载能力评估、抗变形能力和力学环境适应能力评估评估中的任一项参数不满足技术设计标准集内的对应标准时，均对该参数对应的结构进行修正，并再次进行承载能力评估、抗变形能力或力学环境适应能力的评估，重复该流程，直至完成该阶段的设计。

方案设计标准集、技术设计标准集和产品设计标准集内需要评估的各个参数均设置有标准值的范围，如果计算获得的结果在对应标准值的范围内，则说明满足标准，反之，则不满足。

对于刚性转子(高压转子)，计算整个转子在共振状态(或工作状况)下的应变能所占比例，一般情况下轴的应变能所占全部应变能比例不应超过20％。有限元计算时，根据转子支承的真实刚度值定义各支点刚度参数。

本申请在承力结构的方案设计阶段进行承力结构的承载能力评估，在技术设计阶段进行承力结构的承载能力评估和抗变形能力评估，在产品设计阶段进行承力结构的承载能力评估、抗变形能力评估和力学环境适应能力评估；可快速实现对转子结构布局及设计结果的定量评估，从而为转子结构设计及方案快速、准确的迭代提供了重要的方法和手段；能够有效保证转子的承载能力、抗弯曲性能和环境适应能力，提升转子结构的工作性能。

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。